CN105553584A - 一种3d mimo信道建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D？MIMO信道建模方法，所述方法包括(1)确定仿真的场景和网络布局，根据场景和统计的相关性计算出大尺度参数；(2)根据大尺度参数和概率密度函数结合场景，依次生成各小尺度参数；(3)计算出信道系数；(4)根据计算结果更新小尺度参数建立漂移模型；(5)根据漂移模型时间演进后建模。本发明的有益效果为：本发明通过更新时延、出发角、到达角、极化、阴影衰落、K因子实现信道系数的短期时间演化，本发明支持相邻信道片段间的光滑过渡，本发明视距和非视距场景由共同的框架结构仿真，减少了模型复杂度并能自由地配置多单元场景，本发明扩展了位置图生成的算法，考虑了对角运动方向并且创建了更平滑的输出。

Description

一种3D MIMO信道建模的方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种3DMIMO信道建模的方法。

背景技术

MIMO技术的核心优势在于对空间资源的有效利用，原本是无线通信中缺点的多径效应，在MIMO系统中却成为提高容量的有利因素。MIMO信道中多天线之间的隔离度使得系统的大容量成为可能，如果信道相关性很低，MIMO信道就可以分为多条并行的子信道，各个子信道就相当于一个传统的单入单出无线通信信道。对于一个完全不相关的MIMO信道，其容量提升的倍数就是天线数目。由此可以看出，容量增益很大程度上依赖于传输环境是否有丰富的多径因素，以此获得较低的信道相关性。

信道H对整个通信系统传输性能的好坏有着重要的影响，因此如何精确地获得实时的信道系数是通信系统仿真中至为关键的一项工作。电磁波的传播受到天线参数、载频、用户和基站位置、移动速度以及散射体分布等多种因素的影响，这使得无线信道具有很大的不可预见性，因此也就增加了信道建模的复杂度和难度。

信道建模和仿真是无线新系统链路级和系统级仿真非常重要的研究领域。COST259是首个提出无线信道空间框架的模型，奠定了MIMO信道建模的基础。3GPPSCM(SpatialChannelModel)模型、SCME(SpatialChannelModelExtended)模型和WINNER模型在此基础上降低了仿真复杂度，加大信道带宽和逐步完善测试场景。上述模型基于电波仅在水平面传播的假设均为二维(2D)模型。为了提高信道仿真的准确性，同时考虑电波在垂直面传播的影响，必须将2D-MIMO扩展到三维(3D)信道模型，提出新的3DMIMO信道建模方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种3DMIMO信道建模的方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种3DMIMO信道建模方法，其改进之处在于：所述方法包括

(1)确定仿真的场景和网络布局，根据场景和统计的相关性计算出大尺度参数；

(2)根据大尺度参数和概率密度函数结合场景，依次生成各小尺度参数；

(3)计算出信道系数；

(4)根据计算结果更新小尺度参数建立漂移模型；

(5)根据漂移模型时间演进后建模。

可选的，所述网络布局包括三个坐标系：全局坐标系、阵列坐标系和阵子坐标系；各坐标系间统计的相关性通过坐标轴的相对旋转角度来表示；在建模时电磁波传播方向是在全局坐标系坐标系中，天线的方向图表示是相对于阵子坐标系；根据坐标系之间的互相转换关系，可以计算出电磁波在阵列坐标系坐标系中的归一化水平极化向量和垂直极化向量

可选的，所述大尺度参数包括延迟扩展、水平离开角的角度扩展、水平到达角的角度扩展、垂直离开角的角度扩展、垂直到达角的角度扩展、阴影衰落的标准差和莱斯K因子的参数。

可选的，所述步骤(3)包括根据生成的各小尺度参数，通过下述公式计算信道系数：

其中，F_rx,u,θ和F_rx,u,φ为接收天线单元_u的垂直与水平天线方向图，F_tx,s,θ和F_tx,s,φ是发射单元s的垂直与水平天线方向图；是接收端附近簇n的子径m在球坐标的单位向量，是发射端附近簇n的子径m在球坐标下的单位向量。

可选的，所述步骤(4)包括建立坐标系，生成网络拓扑、终端路径和散射体，确定各距离量与角度量的计算方法，通过更新每个快照的小尺度参数来建模。

进一步的，所述小尺度参数包括非视距漂移参数和视距漂移参数；

非视距漂移：基于初始到达角和路径时延计算簇散射体，第l条路径的总时延为：d_l＝τ_l·c+|r|，其中|r|为发射机与接收机初始位置的距离；每条子径有不同的到达角这些角转换到笛卡尔坐标系可得移动台运动过程中Rx，Tx，MT满足三角关系α_r,l,m,s＝α_l,m-e_r,s，其中矢量e_r,s是从接收机的初始位置指向在快照s时第r条路径上的天线阵子，矢量α_r,l,m,s是从接收机指向在快照s时第r条路径上的天线阵子；

视距漂移：根据移动台位置的变化更新收发两端天线阵子的角度，

r_r,t,s＝r-e_t+e_r,s；

${\mathrm{\φ}}_{t,l,s}^d={\arctan }_2\{r_{r,t,s,y},r_{r,t,s,x}\};$

${\mathrm{\θ}}_{t,l,s}^d=arcsin\left\{\frac{r_{r,t,s,z}}{\left|r_{r,t,s}\right|}\right\};$

${\mathrm{\φ}}_{t,l,s}^a={\arctan }_2\{-r_{r,t,s,y},-r_{r,t,s,x}\};$

${\mathrm{\θ}}_{t,l,s}^a=arcsin\left\{\frac{-r_{r,t,s,z}}{\left|r_{r,t,s}\right|}\right\};$

其中，矢量r_r,t,s是在快照s时从发射端天线阵子t指向接收端阵子r；相位和时延由上式矢量计算得到。

可选的，所述步骤(5)包括对簇散射体的生命周期建模，根据簇的变化规律确定多个片段长度与多个片段间的重叠长度，通过更新每个快照的小尺度参数和重叠部分快照的大尺度参数建模。

本发明的有益效果为：

1、时间演化：通过更新时延、出发角、到达角、极化、阴影衰落、K因子实现信道系数的短期时间演化；

2、场景转换：本发明支持相邻信道片段间的光滑过渡；

3、移动终端速度可变；

4、视距和非视距场景由共同的框架结构仿真，减少了模型复杂度并能自由地配置多单元场景；

5、用改进的方法计算大尺度参数：它扩展了位置图生成的算法，考虑了对角运动方向并且创建了更平滑的输出；

6、有修改天线结构图的新功能：天线图能在3D坐标系中自由旋转同时保持极化个性。

附图说明

图1是本发明提供的GCS，ACS，ECS坐标系结构示意图；

图2是本发明提供的室外路径损耗模型结构示意图；

图3是本发明提供的室外到室内路径损耗模型结构示意图；

图4是本发明提供的多链路传输结构示意图；

图5是本发明提供的漂移模型结构示意图；

图6是本发明提供的一种3DMIMO信道建模方法流程示意图。

具体实施方式

如图6所示，本发明提供了一种3DMIMO信道建模方法，在3DMIMO信道模型中有三个参考坐标系，各坐标系间的统计的相关性通过坐标轴的相对旋转角度来表示。在建模时考虑的电磁波传播方向是在GCS坐标系中，而天线的方向图表示是相对于ECS的。根据坐标系之间的互相转换关系，可以计算出电磁波在ECS坐标系中的归一化水平极化向量和垂直极化向量

建模时由于散射体是移动的，首先定义信道的一个抽取(drop)，在一个抽取中所有参数都是固定的，除了子径的相位外。这样，可以认为在一个抽取内的移动是虚拟的，通过子径旋转相位的叠加引起快速衰落和多普勒效应。

本发明一种3DMIMO建模方法，具体步骤如下：

步骤一：确定仿真的场景和网络布局，根据场景和统计的相关性计算出大尺度衰落参数。

如图1所示：在网络布局中，定义三个坐标系：全局坐标系(GCS，GlobalCoordinateSystem)、阵列坐标系(ACS，ArrayCoordinateSystem)、阵子坐标系(ECS，ElementCoordinateSystem)；

3DMIMO信道的大尺度参数主要有：延迟扩展(DS，DelaySpread)，水平离开角(AOD，AngleOfDeparture)的角度扩展，水平到达角(AOA，AngleOfArrival)的角度扩展，垂直离开角(EOD，ElevationAngleOfDeparture)的角度扩展，垂直到达角(EOA，ElevationAngleOfArrival)的角度扩展，阴影衰落(SF，ShadowFading)的标准差，莱斯K因子(KF，KFactor)。

步骤二：根据大尺度参数和概率密度函数，结合场景，依次生成各小尺度参数。

对于向量在不同坐标系中的表示，可以通过坐标系间相应关系来进行转换计算。假设ACS坐标系是相对于GCS坐标系的X，Y，Z轴分别旋转α，β，γ弧度得到的，定义旋转矢量rot＝[α,β,γ]，则在GCS中表示为v＝[x₀,y₀,z₀]^T的矢量，在ACS中的表示如下：

v'＝[x'₀,y'₀,z'₀]^T＝T·v；

其中，转换矩阵T为：

$T=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right];$

步骤三：计算出信道系数，根据仿真需求添加路径损耗和阴影衰落。

路径损耗(Pathloss)为传播环境引入的损耗的量。功率损耗当RF波传输在空气中时发生，这个损耗发生是因为空气提供对信号的过滤作用。特定的电磁频率(非常高且非商业化)被完全地阻塞或被空气过滤。

大尺度路径损耗：大尺度平均路径损耗用于测量信号的平均衰落，定义为有效发射功率和平均接收功率之间的差值。几种常用的描述大尺度衰落的模型有自由空间模型、布灵顿模型、EgLi模型、Hata-Okumura模型。

一般路径损耗公式为 $PL=Alg(d\[m\])+B+Clg\left(\frac{f_c\[GHz\]}{5.0}\right)+X;$

根据生成的各小尺度参数，通过下述公式计算信道系数：

$\begin{array}{c}{H}_{u,s,n}\left(t\right)=\sqrt{P_n/M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left[\begin{array}{c}{F}_{rx,u,\mathrm{\θ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOA},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOA})\\ F_{rx,u,\mathrm{\φ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOA},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOA})\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{cc}\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\θ}\mathrm{\θ}}\right)& \sqrt{{{\mathrm{\κ}}_{n,m}}^{-1}}\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\θ}\mathrm{\φ}}\right)\\ \sqrt{{{\mathrm{\κ}}_{n,m}}^{-1}}\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\φ}\mathrm{\θ}}\right)& \exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\φ}\mathrm{\φ}}\right)\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{F}_{tx,s,\mathrm{\θ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOD},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOD})\\ F_{tx,s,\mathrm{\φ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOD},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOD})\end{array}\right]\exp \left(j2{\mathrm{\π\λ}}_0^{-1}\right({\hat{r}}_{rx,n,m}^T.{\stackrel{\‾}{d}}_{rx,u}\left)\right)\exp \left(j2{\mathrm{\π\λ}}_0^{-1}\right({\hat{r}}_{tx,n,m}^T.{\stackrel{\‾}{d}}_{tx,s}\left)\right)\exp \left(j2{\mathrm{\πv}}_{n,m}t\right)\end{array};$

其中，F_rx,u,θ和F_rx,u,φ是接收天线单元u的垂直与水平天线方向图，F_tx,s,θ和F_tx,s,φ是发射单元s的垂直与水平天线方向图。是接收端附近簇n的子径m在球坐标的单位向量，是发射端附近簇n的子径m在球坐标下的单位向量。

在3D模型中，天线阵列还可能是二维平面阵，以及三维球面阵，柱面阵等。对于每个天线单元，其天线方向图须扩展至三维

3D模型信道冲激响应产生的方法是在2D模型的基础上，增加垂直离开角(ElevationAngle-of-Departure，EAoD)与垂直到达角(ElevationAngle-of-Arrival，EAoA)和大尺度参数角度扩展ESD(ElevationSpreadofArrival)，ESA(ElevationSpreadofDeparture)。

天线和终端高度的引入使电波传播环境发生变化，原有的路径损耗与阴影衰落模型将不再适用。室外路径损耗模型如图2所示，室外到室内路径损耗模型如图3所示。

步骤四：根据计算结果更新小尺度参数建立漂移模型。

终端移动路径根据其相关距离被划分为若干个片段(segment)如图4，在一个segment中，大尺度参数保持不变，而在终端移动路径上的若干个segment之间，各项大尺度参数都是独立不相关的。这导致一般的3D模型不支持连续路径场景的仿真，需要对其时变特性建模，建立漂移模型，如图5。

首先建立坐标系，生成网络拓扑、终端路径和散射体，然后确定各距离量与角度量的计算方法，最后通过更新每个快照的小尺度参数来建模。

其中，小尺度参数包括非视距漂移参数和视距漂移参数；

非视距漂移(NLOSdrifting)：最后的簇散射体(thelast-bouncescatterer(LBS))的计算是基于初始到达角和路径时延。第l条路径的总时延为：d_l＝τ_l·c+|r|，其中|r|是发射机与接收机初始位置的距离。由于每条子径有不同的到达角这些角转换到笛卡尔坐标系可得移动台运动过程中Rx，Tx，MT满足三角关系α_r,l,m,s＝α_l,m-e_r,s，其中矢量e_r,s是从接收机的初始位置指向在快照s时第r条路径上的天线阵子，矢量α_r,l,m,s是从接收机指向在快照s时第r条路径上的天线阵子。

视距漂移(LOSdrifting)：这时我们会根据移动台位置的变化更新收发两端天线阵子的角度，r_r,t,s＝r-e_t+e_r,s

${\mathrm{\θ}}_{t,l,s}^d=arcsin\left\{\frac{r_{r,t,s,z}}{\left|r_{r,t,s}\right|}\right\};$

${\mathrm{\φ}}_{t,l,s}^a={\arctan }_2\{-r_{r,t,s,y},-r_{r,t,s,x}\};$

${\mathrm{\θ}}_{t,l,s}^a=arcsin\left\{\frac{-r_{r,t,s,z}}{\left|r_{r,t,s}\right|}\right\};$

其中，矢量r_r,t,s是在快照s时从发射端天线阵子t指向接收端阵子r。相位和时延由这些矢量计算得到。

步骤五：根据漂移模型时间演进后建模。

研究segment之间的连续性问题，即时间演变(time-evolution)的问题。终端路径由多个segment连接而成，相邻segment之间必然存在一定的相关性。在实际中，随着终端位置的移动，周围散射体环境会发生变化，这种变化很有可能是连续的，因此，必须定义散射体的生命周期且各个segment之间的大尺度参数的相关性必须予以考虑。需要对散射体的生命周期及segment间大尺度参数相关性进行建模。

首先对簇散射体的生命周期建模，然后根据簇的变化规律确定segment长度与segment间的重叠长度，最后通过更新每个快照的小尺度参数和重叠部分快照的大尺度参数建模。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3DMIMO信道建模方法，其特征在于：所述方法包括

(1)确定仿真的场景和网络布局，根据场景和统计的相关性计算出大尺度参数；

(2)根据大尺度参数和概率密度函数结合场景，依次生成各小尺度参数；

(3)计算出信道系数；

(4)根据计算结果更新小尺度参数建立漂移模型；

(5)根据漂移模型时间演进后建模。

2.根据权利要求1所述的一种3DMIMO信道建模方法，其特征在于：所述网络布局包括三个坐标系：全局坐标系、阵列坐标系和阵子坐标系；各坐标系间统计的相关性通过坐标轴的相对旋转角度来表示；在建模时电磁波传播方向是在全局坐标系坐标系中，天线的方向图表示是相对于阵子坐标系；根据坐标系之间的互相转换关系，可以计算出电磁波在阵列坐标系坐标系中的归一化水平极化向量和垂直极化向量

3.根据权利要求1所述的一种3DMIMO信道建模方法，其特征在于：所述大尺度参数包括延迟扩展、水平离开角的角度扩展、水平到达角的角度扩展、垂直离开角的角度扩展、垂直到达角的角度扩展、阴影衰落的标准差和莱斯K因子的参数。

4.根据权利要求1所述的一种3DMIMO信道建模方法，其特征在于：所述步骤(3)包括根据生成的各小尺度参数，通过下述公式计算信道系数：

$\begin{array}{c}{H}_{u,s,n}\left(t\right)=\sqrt{P_n/N}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\begin{array}{c}{F}_{rx,u,\mathrm{\θ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOA},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOA})\\ F_{rx,u,\mathrm{\φ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOA},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOA})\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{cc}\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\θ}\mathrm{\θ}}\right)& \sqrt{{{\mathrm{\κ}}_{n,m}}^{-1}}\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\θ}\mathrm{\φ}}\right)\\ \sqrt{{{\mathrm{\κ}}_{n,m}}^{-1}}\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\φ}\mathrm{\θ}}\right)& \exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{n,m}^{\mathrm{\φ}\mathrm{\φ}}\right)\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{F}_{tx,s,\mathrm{\θ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOD},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOD})\\ F_{tx,s,\mathrm{\φ}}({\mathrm{\θ}}_{n,m,ZOD},{\mathrm{\φ}}_{n,m,AOD})\end{array}\right]\exp \left(j2{\mathrm{\π\λ}}_0^{-1}\right({\hat{r}}_{rx,n,m}^T\·{\stackrel{\‾}{d}}_{rx,u})\left)\exp \left(j2{\mathrm{\π\λ}}_0^{-1}\right({\hat{r}}_{rx,n,m}^T\·{\stackrel{\‾}{d}}_{rx,s})\right)\exp \left(j2{\mathrm{\πv}}_{n,m}t\right)\end{array};$

其中，F_rx,u,θ和F_rx,u,φ为接收天线单元_u的垂直与水平天线方向图，F_tx,s,θ和F_tx,s,φ是发射单元s的垂直与水平天线方向图；是接收端附近簇n的子径m在球坐标的单位向量，是发射端附近簇n的子径m在球坐标下的单位向量。

5.根据权利要求1所述的一种3DMIMO信道建模方法，其特征在于：所述步骤(4)包括建立坐标系，生成网络拓扑、终端路径和散射体，确定各距离量与角度量的计算方法，通过更新每个快照的小尺度参数来建模。

6.根据权利要求5所述的一种3DMIMO信道建模方法，其特征在于：所述小尺度参数包括非视距漂移参数和视距漂移参数；

非视距漂移：基于初始到达角和路径时延计算簇散射体，第l条路径的总时延为：d_l＝τ_l·c+|r|，其中|r|为发射机与接收机初始位置的距离；每条子径有不同的到达角这些角转换到笛卡尔坐标系可得移动台运动过程中Rx，Tx，MT满足三角关系α_r,l,m,s＝α_l,m-e_r,s，其中矢量e_r,s是从接收机的初始位置指向在快照s时第r条路径上的天线阵子，矢量α_r,l,m,s是从接收机指向在快照s时第r条路径上的天线阵子；

视距漂移：根据移动台位置的变化更新收发两端天线阵子的角度，r_r,t,s＝r-e_t+e_r,s；

${\mathrm{\φ}}_{t,l,s}^d={\arctan }_2\{r_{r,t,s,y},r_{r,t,s,x}\};$

${\mathrm{\θ}}_{t,l,s}^d=arcsin\left\{\frac{r_{r,t,s,z}}{\left|r_{r,t,s}\right|}\right\};$

${\mathrm{\φ}}_{t,l,s}^a={\arctan }_2\{-r_{r,t,s,y},-r_{r,t,s,x}\};$

${\mathrm{\θ}}_{t,l,s}^a=arcsin\left\{\frac{-r_{r,t,s,z}}{\left|r_{r,t,s}\right|}\right\};$

其中，矢量r_r,t,s是在快照s时从发射端天线阵子t指向接收端阵子r；相位和时延由上式矢量计算得到。

7.根据权利要求1所述的一种3DMIMO信道建模方法，其特征在于：所述步骤(5)包括对簇散射体的生命周期建模，根据簇的变化规律确定多个片段长度与多个片段间的重叠长度，通过更新每个快照的小尺度参数和重叠部分快照的大尺度参数建模。