CN104144021A - 动态场景下无线信道实时模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态场景下无线信道实时模拟方法及装置。首先，用户输入收发端运动轨迹、通信场景及输出信道状态更新速率等信道动态场景参数；据此，信道参数估计单元1-2对各个信道状态进行参数估计，包括最大多普勒频移、多径时延和传播损耗等；然后，信道参数内插单元1-3根据用户设置，对估计后的信道状态参数进行确定和随机性混合内插；最后，信道实时模拟单元1-4根据内插后的信道参数实时模拟产生时变信道，通过延迟抽头线模型产生信道冲击响应并叠加于经过A/D单元1-5采样后的输入信号，最终输出信号通过D/A单元1-6变换后输出。

Description

动态场景下无线信道实时模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及动态场景下无线信道模拟方法及装置，属于无线信息传输领域，特别针对动态移动环境下的时变无线信道模拟方法。 

背景技术

无线衰落信道建模仿真是指在信道特征分析的基础上建立数学模型，在实验室环境下进行与实际信道类似的模拟。相比传统现场实测，该方法可大大降低通信系统测试的难度和费用而得到了广泛的应用。 

无线信号在传播过程中遇到起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射及绕射等，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而加强，有时反向迭加而减弱。因此，接收信号的幅度将急剧变化即衰落。 

对于发射机和接收机都处于移动状态的动态场景而言，不同时刻对应于不同的信道状态，每个信道状态都呈现各自的随机衰落。对移动信道进行研究包括理论分析，现场电波传播实测和计算机模拟等方面。目前，大部分移动信道模拟方法只针对静态场景下的信道仿真或模拟，该类方法若直接应用于动态场景，将导致信道状态参数突变和信号相位不连续性等问题，这与实际信道状态的连续特性不符。 

发明内容

技术问题：本发明提出了一种针对动态场景下的无线信道模拟方法及装置。该方法可以模拟信道参数的连续随机变化，保证不同信道状态之间的随机平稳过渡以及信道相位连续性；另外，该方法还可以在更短的仿真时间内，获得与理论模型一致的统计特性。 

无线接收信号通常是多簇可分辨路径信号的叠加，每簇信号由不可分辨散射支路构成，t时刻下信道冲击响应理论模型可表示为 

$h(t,\mathrm{\τ})=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Loss}}_{i,n}\left(t\right)\·e^{j2\mathrm{\π}{f}_{d,i,n}t\cos {\mathrm{\θ}}_{i,n}}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i,n}}\·\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_{i,n}\left(t\right))---\left(1\right)$

其中，i表示可分辨多径序号，I表示可分辨多径总数；n表示各簇信号的不可分辨散射支路序号；t表示时间；Loss_i,n(t)和τ_i,n(t)分别表示各散射支路的路径传播损耗和时延；f_d表示最大多普勒频率，f_d,i,n表示各散射支路最大多普勒频率；θ_i,n和φ_i,n分别表示各散射支路的入射 角和初始相位。动态场景下，通信收发端处于移动状态，加上复杂的传播环境，时延、最大多普勒频移和路径损耗等信道参数应当具有随机性。同时，信道场景的连续变化也造成时延、最大多普勒频移和路径损耗有规律的连续变化。 

假设接收机周围的本地散射体随机分布情况，不可分辨散射支路可合并为单一时变复增益，此时信道理论模型可简化为 

$h(t,\mathrm{\τ})=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Loss}}_i\left(t\right)\·r_i\left(t\right)\·\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i\left(t\right))---\left(2\right)$

其中，r_i(t)是指各簇多径信号的时变复增益(也称为复合衰落)，该衰落通常包含阴影衰落和小尺度衰落。其中，阴影衰落一般服从对数正态分布，小尺度衰落服从Nakagami分布。 

在实验室内模拟产生对数正态和Nakagami两种随机过程，常用的方法是将二者分解为高斯随机过程。其中，Nakagami随机变量可表示为 

${\mathrm{\γ}}_i\left(t\right)=\sqrt{u_{i,1}^2\left(t\right)+u_{i,2}^2\left(t\right)+\·\·\·+u_{i,2m}^2\left(t\right)}---\left(3\right)$

其中，m表示衰落因子。对数正态随机变量可表示为 

${\mathrm{\β}}_i\left(t\right)=e^{{\mathrm{\σ}}_0{u}_i\left(t\right)+m_{u_i}}---\left(4\right)$

其中，σ₀,分别对应阴影衰落的标准偏差和区域均值。 

根据非专利文献1[PATZOLD M,Mobile fading channel[M].New York:Wiley.2002:51-81.]中的谐波叠加(Sum of Sinusoids,SoS)原理产生高斯随机变量，可表示为 

$u_i\left(t\right)=\sqrt{\frac{1}{N}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos (2\mathrm{\π}{f}_{n,i}t+{\mathrm{\φ}}_{i,n})---\left(5\right)$

其中，N表示不可分辨散射支路数目；f_n,i、α_i,n和φ_i,n分别表示各散射支路的多普勒频率和初始相位。初始相位φ_i,n一般为(-π,π]内随机均匀分布；多普勒频率要满足：1)保证各散射支路相互独立，保证各簇衰落相互独立；2)保证同簇路径信号不同时刻的衰落存在时间自相关性。动态场景下，由于信道状态自身还在不断变化，因此要求信道模拟器在很短时间内，输出的信道统计特性迅速与当前的信道状态吻合。同时，要保证不同信道状态切换时刻，输出信道相位的连续性。 

技术方案：本发明涉及动态场景下无线信道模拟方法及装置，系统主要包括信道动态场景输入单元1-1、信道状态参数估计单元1-2、信道状态参数内插单元1-3、信道实时模拟单元1-4、D/A单元1-5和A/D单元1-6。 

所述信道动态场景输入单元1-1用于从各种试验数据(遥测数据、接收端GPS数据、发送端GPS数据等)中提取收发端实时相对运动参数，如运动速度、方向、位置和姿态等；或者 由用户直接设定不同时刻收发端的运动参数，将其转化为收发端的运动轨迹和相对位置； 

所述信道状态参数估计单元1-2用于根据收发端的运动参数和输入通信参数实时估计信道参数。信道参数主要包括最大多普勒频移f_d,1(t),f_d,2(t),...,f_d,I(t)、多径时延τ₁(t),τ₂(t),...,τ_I(t)和路径损耗传播Loss₁(t),Loss₂(t),...,Loss_I(t)。 

所述信道状态参数内插单元1-3包括确定性的线性内插单元1-7和随机性的随机游动内插单元1-8。所述线性内插单元1-7用于对相邻的信道状态之间线性内插，增加信道状态的更新速率。所述随机游动内插单元1-8用于对新的相邻信道状态之间随机内插，采用随机游动过程完成信道状态之间的随机平稳过渡。 

所述信道实时模拟单元1-4用于根据信道统计参数模拟产生时变信道，包括信道仿真单元1-9和叠加信道单元1-10。所述信道仿真单元1-9用于产生信道仿真模型参数，包括各散射支路初始相位和入射角；所述叠加信道单元1-10通过延迟抽头线模型产生信道冲击响应，叠加于经过A/D单元1-5采样后的输入信号，最终输出信号通过D/A单元1-6变换后输出。有益效果：本发明的创新点如下： 

(1)采用了确定性的线性和随机性的随机游动相结合的内插方式，可以输出任意的信道状态更新速率，同时保证输出的信道状态随机且平稳过渡，这与真实传播情况更为吻合； 

(2)采用随机游动的方式产生信道仿真参数，既可以保证单个信道状态下模拟器输出衰落统计特性在较短时间内达到理论特性，同时保证了不同信道状态切换时的相位连续性； 

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图； 

图2为本发明的系统工作流程图； 

图3为随机游动过程算法流程图； 

图4为模拟器输出幅值统计与理论值比较； 

图5为基于随机游动的信道状态内插过程； 

具体实施方式

结合附图和实例进一步阐述本发明的具体实施方式。以下实施案例用于解释本发明，但不限制本发明的应用范围。 

第一步：用户提供的不同动态场景之间的间隔T_c＝5s，信道场景的数量C＝10。信道动态场景输入单元1-1实时记录收发端运动轨迹并计算运动参数，包括运动速度、空间距离和反射点位置等；本实施案例模拟器输出信道状态更新时间T_r＝0.005s，即内插后的信道场景数量R＝1000，其中线性内插单元1-7信道状态更新时间T_s＝0.5s。 

第二步：通过运动参数和用户输入的场景参数实时估计信道状态参数，包括多径时延τ_i(T_c),τ_i(2T_c),...,τ_i(CT_c)、路径传播损耗Loss_i(T_c),Loss_i(2T_c),...,Loss_i(CT_c和最大多普勒频移f_d,i(T_c),f_d,i(2T_c),...,f_d,i(CT_c，其中i表示可分辨多径数目。 

时延参数计算方法如下， 

${\mathrm{\τ}}_{i,n}=\frac{D_{i,n}-D_{\mathrm{los}}}{c}---\left(6\right)$

其中，D_i,n表示第i簇信号、第n条散射支路的传播距离；D_los表示直射路径的传播距离。 

直射路径传播损耗计算方法如下， 

Loss_los＝32.44+20log(f_MHz)+20log(d_km)        (7) 

其中，f_MHz,d_km分别表示频率和通信距离且单位分别采用MHz和Km。 

反射路径Loss_ref计算方法如下， 

其中，R_F定义为反射系数表示入射波场强与反射波场强之比，α为粗糙地面引起的减弱因子； 是直射路径和反射路径的相位差。 

最大多普勒频移计算方法如下， 

$f_d=f_0\frac{\left|{\stackrel{\→}{v}}_B\right|\cos {\mathrm{\θ}}_B-\left|{\stackrel{\→}{v}}_A\right|\cos {\mathrm{\θ}}_A}{c}---\left(9\right)$

其中，f₀为发射信号频率；分别为收发端移动速度矢量；θ_B,θ_A分别为收发端移动方向和电磁波传播方向的夹角。 

第三步：根据线性内插单元1-7信道状态更新时间T_s，可得原始相邻信道状态间的内插倍数为I₁＝T_c/T_s＝10。线性内插单元1-7对任意相邻信道状态{τ_i(cT_c),Loss_i(cT_c),f_d,i(cT_c)}和{τ_i((c+1)T_c),Loss_i((c+1)T_c),f_d,i((c+1)T_c)}间采用线性内插方法，内插后的信道状态数量增加至S＝10C＝100，线性内插单元输出内插后的信道状态序列可表示为如下形式，{{τ_i(T_s),Loss_i(T_s),f_d,i(T_s)},{τ_i(2T_s),Loss_i(2T_s),f_d,i(2T_s)},…,{τ_i(ST_s),Loss_i(ST_s),f_d,i(ST_s)}}。 

第四步：根据用户设置的最终输出信道状态更新时间T_r和线性内插单元1-7输出信道状态更新时间T_s，可得随机游动内插单元1-8对输入相邻信道状态间的内插倍数为I₂＝T_s/T_r＝100。随机游动内插单元1-8在输入任意相邻两个信道状态内实现随机游动内插的步骤具体如下： 

(1)依次顺序取相邻两个信道状态参数{τ_i(sT_s),Loss_i(sT_s),f_d,i(sT_s)}和{τ_i((s+1)T_s),Loss_i((s+1)T_s),f_d,i((s+1)T_s)}。 

(2)产生布朗运动随机游动过程，离散化产生方法可表示为 

$B\left(l{T}_r\right)=\sqrt{T_r}\underset{m=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{N}_m\left(\mathrm{0,1}\right)---\left(10\right)$

其中，l表示两个信道状态内内插的离散点序号，且有l＝1,2,...,I₂；N_m(0,1)表示长度为m的标准正态分布随机序列。 

(3)产生布朗桥随机游动过程，从而获得随机内插后的时延、路径传播损耗和最大多普勒频移的表达式分别为 

${\mathrm{\τ}}_i\left({\mathrm{lT}}_r\right)={\mathrm{\τ}}_i\left(s{T}_s\right)+\frac{l}{I_2}({\mathrm{\τ}}_i\left((s+1)T_s\right)-{\mathrm{\τ}}_i\left(s{T}_s\right)-B\left(I_2{T}_r\right))+B\left(l{T}_r\right)---\left(11\right)$

${\mathrm{Loss}}_i\left(l{T}_r\right)={\mathrm{Loss}}_i\left(s{T}_s\right)+\frac{l}{I_2}({\mathrm{Loss}}_i\left((s+1)T_s\right)-{\mathrm{Loss}}_i\left(s{T}_s\right)-B\left(I_2{T}_r\right))+B\left(l{T}_r\right)---\left(12\right)$

$f_{d,j}\left(l{T}_r\right)=f_{d,i}\left(s{T}_s\right)+\frac{l}{I_2}(f_{d,i}\left((s+1)T_s\right)-f_{d,i}\left(s{T}_s\right)-B\left(I_2{T}_r\right))+B\left(l{T}_r\right)---\left(13\right)$

(4)若s＜S-1，令s＝s+1，重复第(1)步；若s＝S，则随机内插单元输出的信道状态序列{{τ_i(T_r),Loss_i(T_r),f_d,i(T_r)},{τ_i(2T_r),Loss_i(2T_r),f_d,i(2T_r)},…,{τ_i(RT_r),Loss_i(RT_r),f_d,i(RT_r)}}。 

第五步：提取第r个信道状态参数{τ_i(rT_r),Loss_i(rT_r),f_d,i(rT_r)}，模拟产生对应的信道衰落。首先采用随机游动方法产生信道仿真模型参数。当输入信号数据速率为T_x(T_x＜T_r)，则每个信道状态对应产生的信道冲击响应长度为K＝T_r/T_x。各散射支路的初始相位采用均匀分布随机序列产生，即φ_i,n(kT_x)～U(-π,π],k＝1,2,...,K；各散射支路的多普勒频率改写为如下形式， 

其中表示向下取整，θ_i,n(kT_x)采用随机游动方法产生，产生过程如下： 

(1)判断当前信道模拟器输出信道状态的序号r；如果r＝1，即模拟器产生第一个信道状态参数对应的信道衰落，此时θ_i,n(kT_x)初始值服从随机均匀分布，即θ_i,n(0)～U(-π,π]； 

如果r＝2,...,R，则θ_i,n(kT_x)初始值服为前一状态的结束值，即

(2)在同一信道状态内，任意时刻下θ_i,n(kT_x)的取值方法如下 

θ_i,n(kT_x)＝θ_i,n((k-1)T_x)+(δ₀×B(kT_x))          (15) 

其中，k＝1,2,...,K表示离散时间点；B(kT_x)表示随机游动过程(产生方法如式(10)所示)，δ₀＜＜1表示随机游动过程的步长，实施案例取δ₀＝10^-3。 

(3)当θ_i,n(kT_x)大于π或小于-π时，改变随机游动方向，取δ₀＝-δ₀。 

当多普勒频率和初始相位确定后，可由余弦查表法获得高斯随机变量u_i(kT_x)。 

第六步：调用加法运算器、乘法运算器和根号运算器，由高斯随机变量u_i(kT_x)产生服从 Nakagami分布的小尺度衰落γ_i(kT_x)。调用加法运算器、乘法运算器，并根据查表法可由高斯随机变量u_i(kT_x)产生服从对数正态分布的阴影衰落β_i(kT_x)。调用乘法运算器，可得信道衰落r_i(kT_x)。 

第七步：按照上述方法，改变i值获得不同径的信道参数，然后利用各径时延τ_i(rT_r)，信道衰落系数Loss_i(rT_r)和信道衰落r_i(kT_x)等参数通过叠加信道单元1-10产生信道冲击响应h(kT_x)。 

第八步：输入信号x(kT_x)与信道冲击响应h(kT_x)卷积产生实时输出信号。 

第九步：判断r的大小；如果r＜R，令r＝r+1，并返回第五步；如果r≥R，则结束计算。 

Claims (4)

1.一种动态场景下无线信道实时模拟装置，包括信道动态场景输入单元(1-1)、信道状态参数估计单元(1-2)、信道状态参数内插单元(1-3)、信道实时模拟单元(1-4)、D/A单元(1-5)和A/D单元(1-6)；其特征在于：所述的信道动态场景输入单元(1-1)和信道状态参数估计单元(1-2)相连接,所述的信道状态参数估计单元(1-2)还同信道状态参数内插单元(1-3)相连接,所述的信道状态参数内插单元(1-3)还同信道实时模拟单元(1-4)相连接,所述的信道实时模拟单元(1-4)分别同D/A单元(1-5)和A/D单元(1-6)相连接，所述的信道状态参数内插单元(1-3)中包括着相互连接的确定性的线性内插单元(1-7)和随机性的随机游动内插单元(1-8)，信道实时模拟单元(1-4)中包括着相互连接的信道仿真单元(1-9)和叠加信道单元(1-10)。 

2.一种动态场景下无线信道实时模拟装置，其特征在于信道动态场景输入单元(1-1)从收发端运动轨迹中提取运动参数输入；信道状态参数估计单元(1-2)结合运动参数和通信参数计算信道参数；信道状态参数内插单元(1-3)先后通过确定性的线性内插单元(1-7)和随机性的随机游动内插单元(1-8)，对信道状态参数内插单元(1-3)获得的信道参数进行内插，并将内插后的信道参数输入信道实时模拟单元(1-4)；信道实时模拟单元(1-4)通过信道仿真单元(1-9)和叠加信道单元(1-10)实时产生信道冲击响应；D/A单元(1-5)与信道实时模拟单元(1-4)连接；叠加信号后的信号通过A/D单元(1-6)输出。 

3.根据权利要求1所述的动态场景下无线信道实时模拟装置的模拟方法，其特征在于所述信道状态参数内插单元(1-3)采用确定性的线性内插和随机性的随机游动内插想结合的方式进行内插，实现步骤如下： 

(1)线性内插单元(1-7)内插倍数为I₁＝T_c/T_s，T_c和T_s分别为动态场景时间间隔和线性内插单元输出信道状态更新时间，线性内插单元对相邻信道状态{τ_i(cT_c),Loss_i(cT_c),f_d,i(cT_c)}和{τ_i((c+1)T_c),Loss_i((c+1)T_c),f_d,i((c+1)T_c)}进行线性内插，内插后信道状态序列为如下形式{{τ_i(T_s),Loss_i(T_s),f_d,i(T_s)},{τ_i(2T_s),Loss_i(2T_s),f_d,i(2T_s)},…,{τ_i(ST_s),Loss_i(ST_s),f_d,i(ST_s)}}； 

(2)随机游动内插单元对输入信道状态的内插倍数为I₂＝T_s/T_r，T_r和T_s分别为输出信道状态更新时间和输入信道状态更新时间，随机游动内插单元在输入相邻两个信道状态内实现随机游动内插的步骤如下： 

a.依次顺序取输入的任意相邻两个信道状态，{τ_i(sT_s),Loss_i(sT_s),f_d,i(sT_s)}和{τ_i((s+1)T_s),Loss_i((s+1)T_s),f_d,i((s+1)T_s)}； 

b.产生布朗运动随机游动过程，离散化产生方法可表示为： 

其中，l表示两个信道状态内内插的离散点序号，有N_m(0,1)表示长度为m的 标准正态分布随机序列； 

c.产生布朗桥随机游动过程，从而获得随机内插后的时延、路径传播损耗和最大多普勒频移的表达式分别为 

d.判断s的大小；如果s＜S，令s＝s+1，并返回第a步；如果s＝S，则输出{{τ_i(T_r),Loss_i(T_r),f_d,i(T_r)},{τ_i(2T_r),Loss_i(2T_r),f_d,i(2T_r)},…,{τ_i(RT_r),Loss_i(RT_r),f_d,i(RT_r)}}。 

4.根据权利要求1所述的动态场景下无线信道实时模拟方法及装置，其特征在于信道实时模拟单元利用随机游动方法实时模拟产生时变信道衰落，产生步骤如下： 

(1)取第r个信道状态参数{τ_i(rT_r),Loss_i(rT_r),f_d,i(rT_r)},r＝1,2,…,R,当输入信号数据速率为T_x(T_x＜T_r)，则每个信道状态对应产生的信道冲击响应长度为K＝T_r/T_x。 

(2)产生服从均匀分布的初始相位，即φ_i,n(kT_x)～U(-π,π],k＝1,2,...,K； 

(3)产生各支路多普勒频率，其表达式可写为： 

其中，表示向下取整，随机量θ_i,n(kT_x)采用随机游动方法产生，产生过程如下 

a.判断当前信道模拟器输出信道状态的序号r；如果r＝1，则θ_i,n(kT_x)初始值服从随机均匀分布，即θ_i,n(0)～U(-π,π]；如果r＝2,...,R，则θ_i,n(kT_x)初始值服为前一状态的结束值，即

b.在同一信道状态内，任意时刻下θ_i,n(kT_x)的取值方法如下 

θ_i,n(kT_x)＝θ_i,n((k-1)T_x)+(δ₀×B(kT_x))         (6) 

其中，k＝1,2,...,K表示离散时间点；B(kT_x)表示随机游动过程(产生方法如式(1)所示)，δ₀＜＜1表示随机游动过程的步长 

c.当θ_i,n(kT_x)大于π或小于-π时，改变随机游动方向，取δ₀＝-δ₀； 

(4)根据确定的多普勒频率和初始相位，利用下式获得高斯随机变量， 

(5)调用加法运算器、乘法运算器和根号运算器，由高斯随机变量u_i(kT_x)产生服从Nakagami分布的小尺度衰落和服从对数正态分布的阴影衰落。 

(6)改变i值获得不同径的信道衰落，然后利用各径时延τ_i(rT_r)，信道衰落系数Loss_i(rT_r)和信道衰落r_i(kT_x)等参数通过叠加信道单元(1-10)产生信道冲击响应h(kT_x)。