CN105187146B - 一种基于mimo的对流层散射通信随机信道建模方法 - Google Patents
一种基于mimo的对流层散射通信随机信道建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种基于MIMO的对流层散射通信随机信道建模方法。其针对在MIMO的技术背景下，远距离传输信号的情景，选择对流层散射信道为研究对象。根据对流层的湍流现象，本发明将对流层建模为可微的曲面，散射体随机分布在曲面的各点上。首先，该建模方法根据湍流非相干散射理论，建立了电磁波射入散射体后，散射波在散射体表面的能量损耗分布模型，并根据此模型将能量损耗量化。其次，本发明提出了一种MIMO下波束传输距离的计算方法。最后，本发明推导得到基于MIMO的对流层散射信道的衰落系数和信道矩阵。
Description
技术领域
本发明涉及对流层散射信道的建模方法，特别是一种基于MIMO的对流层散射通信随机信道建模方法。
背景技术
多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，被视为下一代移动通信的核心技术。
对流层散射信道是一个复杂的变参数信道。在对流层散射通信中，电磁波的损耗不仅决定于信号频率、传输距离，波束能量在经过散射体散射时也将产生损耗。当电磁波射入散射体时，电磁波的能量是由入射角、散射角的角度关系以及散射体吸收电磁波的能力所共同决定的。根据目前最广泛使用的湍流非相干散射理论的观点，散射波的能量将分布在各个方向上，散射角越分散，则散射波的能量就越小。
目前工程上大多采用等效地球理论对散射通信链路传输损耗进行建模。等效地球理论指出，在近地表面大气中，可认为大气折射指数随高度均匀变化，在这种情况下，电波射线曲率为固定常数。在等效地球之上，除电波射线变为直线外，天线仰角、端点高度和地面距离等都不变。目前工程上常用的两种损耗计算方法--ITU-R617和NBS-101均采用等效地球的信道空域分析方法。两者的区别在于，ITU-R617中所采用的气候参数更为精确，计算方便；而NBS-101对信号频域的衰减给出了更为完备的计算公式，但计算过程十分繁琐。然而两种损耗计算方式都没有给出明确的波束与散射体碰撞时的能量损耗模型。
根据对流层的湍流现象，本发明将对流层建模为一个可微的曲面，散射体随机分布在曲面的各点上。首先，根据湍流非相干散射理论，建立了电磁波束射入散射体后，散射波在散射体表面的能量损耗分布模型，并根据此模型将能量损耗量化。其次，本发明提出一种MIMO下波束传输距离的计算方法。最后，本发明推导得到基于MIMO对流层散射信道的衰落系数和信道矩阵。
发明内容
本发明的技术方案：
本发明的应用场景如附图1所示，有两个静止的MIMO通信站点，分别位于直线距离l处。由于两个站点距离较远，故接收信号中非视距分量将占据绝大部分。由于对流层中各点气压不同，产生了湍流现象，导致对流层各点到地面的距离均不相等；同时为了便于分析，在信道几何模型构建时，将对流层视作可微的曲面，各散射体就随机的分布在曲面上，电磁波束就通过各散射体的散射从而将波束传向接收站点。
在对流层散射信道中，信号的损耗来源于两个方面：一方面来源于信号在传输过程中链路上的损耗；另一方面来源于波束在经过多个散射体散射过程中消耗的能量。而信号相位的变化也来源于两个方面：一方面是由信号波长和链路长度决定的相移；另一方面来源于波束在经过散射后所附加上的随机相移。
波束在通过散射体时散射出的波束将射向四面八方，出射波束的能量随着散射角的增大而减小。根据湍流非相干散射理论，在产生镜面反射的角度上，散射波束的能量最大，在其它角度上波束能量随散射角度与反射角夹角的增大呈指数衰减。同时能量衰减的程度还与散射体对电磁波的吸收能力有关。由此，本发明将散射体建模为一球体，将散射波在散射体表面的能量分布问题转化为球体表面的二重积分问题。同时本发明基于信道的几何模型和若干可实测的数据参数，提出了一种基于MIMO的多天线链路距离计算方法。最后，推导了MIMO技术背景下，对流层散射信道的衰落系数和信道矩阵。
本发明的信道建模过程具体如下：
信道几何模型如附图2所示。假定与某个路径长度关联的所有散射体S(k)(k＝1，2，···，N)(N为散射体总数)位于同一曲面上；两个通信站点间的直线距离为l；点A是发射天线阵列的几何中心，点B是接收天线阵列的几何中心；发射端有Nt根天线，接收端有Nr根天线；ATi为第i根发射天线，BRj为第j根接收天线。
从发射端ATi(i＝1，2，···，Nt)到接收端BRj(j＝1，2，···，Nr)链路的信道矩阵为
其中hij为空间信道的衰落系数，由于视距分量十分微弱，在此处为分析简便，忽略不计，所以有
其中，P描述传输波从发射端到接收端所经历的最大散射次数，p表示散射次数，q表示由远及近的路径，例如代表电磁波经历2跳，且其路径表示第4条一跳路径，即A→S(2)→S(1)→B(由近及远的原则)，表示由近及远，传输波所走的路径总数；i(i＝1，2，···，Nt)、j(j＝1，2，···，Nr)分别表示第i根发射天线与第j根接收天线。
不同散射次数下的衰落系数可表示为
其中，npq表示经p次散射的第q条路径上的某一散射体，Npq表示经p次散射的第q条路径上散射体的总数；为链路损耗中值，其计算方法可参考ITU-R617的建议；为非视距链路增益；为散射后叠加上的随机相位，其服从[0,2π]的均匀分布；k0为自由空间波数，有为波束经过散射体的损耗系数；为链路的总长度。
当一束平行波与散射体碰撞时，从宏观角度分析，可以看作是波束与曲面上某一点的碰撞。曲面上该点的切平面可视为反射面，曲面在该点上的法线即为入射波与反射波的法线。将散射体建模为一球体，散射波束从球体表面的每个点向外散发，且散射波束的方向均与球体表面垂直。由此以散射体几何中心为球心，建立球坐标系，则散射体表面能量分布模型如附图3所示，αpq为经散射体散射后的散射波与镜面反射波的夹角。在散射体表面，散射波束能量最强的点为反射波的出射点。连接接收天线与球心，以球心为垂足可得到一平面将散射体切为等表面积的两个半球；接收天线接收到的波束的能量应为朝向接收天线的半球表面各点的散射能量，在接收天线方向上分量的总和，也就是在半球表面上的二重积分。而散射波束在散射体表面能量分布表现为，以反射波为中心，在其余方向上呈指数衰减。由此得到了损耗系数的表达式如下：
其中θ和为球坐标系中的两个角度坐标；α1q为经第一个散射体散射后的散射波与镜面反射波的夹角，αpq为经第q个经散射体散射后的散射波与镜面反射波的夹角；γ为散射介质常数，表征了散射体对电磁波的吸收能力。
为链路的总长度。附图4为波束传输的几何模型。由图可知满足如下表达式
其中，为发射天线到散射体的链路长度，为散射体到接收天线的链路长度，为各散射体之间的距离。由于λs(λs为信号的波长)所以对信号相位的影响可以忽略不计。故有
如附图4所示，ATi为发射天线位置，BRj为接收天线的位置；A为发射天线阵列的几何中心，B为接收天线阵列的几何中心；ΨT为AB连线与ATi的夹角，ΨR为AB连线与BRj的夹角；角度βT(βR)为发射端(接收端)天线阵列的倾斜角度；dT(dR)表示发射端(接收端)天线阵列中天线单元到其几何中心的间距。
由余弦定理有
其中L为ATi到B的直线距离。
再由正弦定理有
由附图4可知
ψ”R＝ψR-ψ'R (13)
再由余弦定理，得到收发天线间的直线距离l'的表达式如下
最后由正弦定理有
再根据式(10)，就能得到链路距离
结合式(2)与式(6)有
将式(15)带入式(1)可得到信道矩阵H。
附图说明
图1MIMO中静态站点通信示意图；
图2基于曲面的对流层散射通信几何链路模型图；
图3散射体散射波束模型图；
图4对流层散射通信几何链路模型图；
图5基于MIMO的对流层散射随机信道建模方法的流程图。
具体实施方式
以下，描述本发明的实施方式，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
基于MIMO的对流层散射随机信道建模方法建模过程如附图5所示，具体如下：
步骤1：开始。
步骤2：计算衰落系数的表达式。
hij为空间信道的衰落系数，在此处为分析简便，将视距分量忽略不计，所以有：
将各散射体的散射分量叠加有：
步骤3：计算波束经过散射体的损耗系数。
在散射体表面，散射波束能量最强的点为反射波的出射点。连接接收天线与球心，以球心为垂足可得到一平面将散射体分为等表面积的两个半球；接收天线接收到的波束的能量应为朝向接收天线的半球表面各点的散射能量，在接收天线方向上分量的总和，也就是在半球表面上的二重积分。而散射波束在散射体表面能量分布表现为，以反射波为中心，在其余方向上呈指数衰减。由此得到了的表达式如下：
其中αpq为经散射体散射后的散射波与镜面反射波的夹角；γ为散射介质常数，表征了散射体对电磁波的吸收能力。
步骤4：计算链路长度。
满足如下表达式：
根据链路几何模型得到：
其中，l'为通过计算得到的收发天线的直线距离，角度βT(βR)为发射端(接收端)天线阵列的倾斜角度。
由此得到了链路距离
步骤5：求解信道矩阵H。
由步骤2有：
从发射端ATi(i＝1，2，···，Nt)到接收端BRj(j＝1，2，···，Nr)链路的信道矩阵为：
其中hij为空间信道的衰落系数。
由此得到了信道矩阵H。
步骤6：结束。
如上所述：首先，本发明将散射体建模为一球体，将散射波在散射体表面的能量分布问题转化为球体表面的二重积分问题。其次，本发明基于信道的几何模型和若干可实测的数据参数，提出一种基于MIMO的多天线链路距离计算方法。最后，本发明推导得到基于MIMO的对流层散射信道的衰落系数和信道矩阵。
本发明的有益效果是：
本发明与传统对流层散射信道建模方法相比，其创新之处在于将散射体对波束的吸收和散射损耗功率进行了量化，并提供了更具操作性的链路距离计算方法，使得信道模型更加完备准确。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.本发明提出一种基于MIMO的对流层散射通信随机信道建模方法，其特征在于，具体为：
S1，将散射体建模为球体，把散射能量在球体表面分布问题转化为二重积分的问题，并基于此推导得到波束经过散射体的损耗系数
将对流层建模为一可微曲面，散射体随机分布在该曲面上；当一束平行波与散射体碰撞时，从宏观角度分析，可以看作是波束与曲面上某一点的碰撞；曲面上该点的切平面可视为反射面，曲面在该点上的法线即为入射波与反射波的法线；将散射体建模为一球体，散射波束从球体表面的各个点向外散发，且散射波束的方向均与球体表面垂直；由此以散射体几何中心为球心，建立球坐标系；在散射体表面，散射波束能量最强的点为反射波的出射点；连接接收天线与球心，以球心为垂足可得到一平面；该平面将散射体分为等表面积的两个半球；接收天线接收到的波束的能量应为朝向接收天线的半球表面各点的散射能量在接收天线方向上分量的总和，也就是在半球表面上散射波束分量的二重积分；而散射波束在散射体表面能量分布表现为，以反射波为中心，在其余方向上呈指数衰减；由此得到波束经过散射体的损耗系数的表达式如下：
其中θ和为球坐标系中的两个角度坐标；p表示散射次数，q表示由远及近的路径；α1q为经散射1次后的散射波与镜面反射波的夹角；αpq为经散射p次后的散射波与镜面反射波的夹角；γ为散射介质常数，表征了散射体对电磁波的吸收能力；i(i＝1，2，…，Nt)、j(j＝1，2，…，Nr)分别表示第i根发射天线与第j根接收天线；
S2，基于散射通信链路的几何模型，推导得到链路距离的表达式；
为散射通信链路的总长度，满足如下表达式：
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其中，为发射天线到散射体的链路长度，为散射体到接收天线的链路长度，为各散射体之间的距离；P描述传输波从发射端到接收端所经历的最大散射次数；p表示散射次数，q表示由远及近的路径；故有：
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其中，l'为通过计算得到的两收发天线的直线距离，角度βT为发射端天线阵列的倾斜角度，角度βR为接收端天线阵列的倾斜角度；
S3，推导得到基于MIMO的对流层散射信道的衰落系数hij和信道矩阵H；
hij为空间信道的衰落系数，不计其中的视距分量，所以有：
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其中表示hij中的非视距分量；P描述传输波从发射端到接收端所经历的最大散射次数，Q表示由近及远，传输波所走的路径总数；p表示散射次数，q表示由远及近的路径；
将各路径上的各散射体的散射分量叠加有：
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其中，npq表示经p次散射的第q条路径上的某一散射体，Npq表示经p次散射的第q条路径上散射体的总数；为链路损耗中值，其计算方法采用ITU-R617的建议；为非视距链路增益；为散射后叠加上的随机相位，其服从[0,2π]的均匀分布；k0为自由空间波数，有 为波束经过散射体的损耗系数；为链路的总长度；
综合以上两式有：
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其中，P描述传输波从发射端到接收端所经历的最大散射次数，Q表示由近及远，传输波所走的路径总数；npq表示经p次散射的第q条路径上的某一散射体，Npq表示经p次散射的第q条路径上散射体的总数；为链路损耗中值，其计算方法采用ITU-R617的建议；为非视距链路增益；为散射后叠加上的随机相位，其服从[0,2π]的均匀分布；k0为自由空间波数，有 为波束经过散射体的损耗系数；为链路的总长度；
从发射端ATi到接收端BRj链路的信道矩阵H为，其中i＝1，2，…，Nt，j＝1，2，…，Nr：
其中hij为空间信道的衰落系数，由此得到信道矩阵H。
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