CN106788804A - 一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法 - Google Patents

一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，包括：S1、发射机采用串行/并行方式发射无线信道激励信号；S2、接收机在移动条件下接收激励信号，并提取时变信道冲激响应数据；S3、选取冲激响应数据中连续相邻的几个采样点作为一个集合，确定虚拟天线的间距和数目，将集合内的采样点映射为多根虚拟天线；S4、由集合内的虚拟天线组成虚拟阵列，并随接收机的移动，形成移动虚拟阵列；S5、通过串行/并行发射方式结合基于移动虚拟阵列的串行接收方式，实现全/半串行多天线信道测量，获取信道角度域特征参数。本发明具有较低的成本和复杂度，并且特别适用于高速铁路场景，可为高速铁路多天线信道测量数据库的构建提供有效支撑。

Description

一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域。更具体地，涉及一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法。
背景技术
无线信道测量是研究无线信道传播特性最直接的手段。信道测量的基本原理是发射机发送已知的激励信号，接收机分析无线信道对发射信号的影响。在信道探测中，可以观察不同时延的多径信号以及信号叠加后的幅度和相位变化。用于信道测量的发射机和接收机构成了信道测量系统(或信道探测仪)。信道探测仪发射并检测经信道传输的电磁波，确定信道冲激响应或信道频率响应。
根据测量方式划分，信道测量方式可分为单天线信道测量和多天线信道测量，如图1至图4所示。单天线测量方式是指一台发射机和一台接收机均采用单根天线，如图1所示。图2至图4示出了三类传统的多天线测量方式，包括：1)全并行方式：多台发射机和多台接收机均连接实际的天线阵列，以频分复用或者码分复用的方式发射和接收信号；2)半串行方式：一台发射机通过高速切换开关，连接实际的天线阵列，以时分复用的方式发射信号，而接收端以并行方式接收信号；3)全串行方式：发射端和接收端均以串行方式发射和接收信号。
对于全并行多天线信道测量方法，需要配置多台发射机和接收机及相应的天线阵列，因此具有极高的成本。现有的全/半串行多天线信道测量方法采用高速切换开关连接天线阵列，通过一台发射机或者一台接收机模拟多天线发射和接收，大大降低了多天线信道测量的成本。尽管这种方法已广泛应用于各种陆地蜂窝场景的信道测量，但并不适用于高速铁路场景。这是因为，在高速铁路信道测量中，一方面为了避免列车车厢的影响，需要采用车顶专用天线实现“纯粹”的高速铁路传播信道探测；另一方面车顶专用天线一般只用于信号接收，其天线数目较少，天线间距较大，并不适用于多天线信道测量，无法获取角度域特征参数。
目前，高速铁路场景下多天线信道测量工作鲜有开展，高速铁路多天线信道模型的研究非常匮乏。
因此，需要提供一种适用于高速铁路场景的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、发射机采用串行/并行发射方式发射无线信道激励信号；
S2、接收机在移动条件下接收无线信道激励信号，并提取时变信道冲激响应数据；
S3、选取时变信道冲激响应数据中连续相邻的几个采样点作为一个集合，确定虚拟天线的间距和数目，将集合内的采样点映射为多根虚拟天线；
S4、由集合内的虚拟天线组成虚拟阵列，并随接收机的移动，形成移动虚拟阵列；
S5、通过串行/并行发射方式结合基于移动虚拟阵列的串行接收方式，实现全/半串行多天线信道测量，获取信道角度域特征参数。
优选地，步骤S1中，串行发射方式是指一台发射机通过高速切换开关，连接由多根实际天线组成的天线阵列，以时分复用的方式发射信号；并行发射方式是指多台发射机一一对应的连接多根实际天线，以频分复用或者码分复用的方式发射信号。
优选地，步骤S2中，在移动条件下是指以稳定的速率运动。
优选地，步骤S3中，集合的选取条件为：
满足在测量过程中，信道处于静止或亚静止状态，即
Ti·N+Ts·(M'-1)≤Tc；
其中，当i为奇数时，发射机采用串行发射方式发射无线信道激励信号，Ti为高速切换开关的切换周期；当i为偶数时，发射机采用并行发射方式发射无线信道激励信号，Ti＝0；N为发射天线阵列的天线数目；Ts为时变信道冲激响应数据的采样周期；M'为集合内采样点的个数；Tc为信道相干时间。
优选地，步骤S3中，虚拟天线的间距Δd由接收机的移动速率v与时变信道冲激响应数据的采样周期Ts决定：Δd＝vTs。
优选地，步骤S3中，虚拟天线的数目M由集合内采样点的个数M'决定，虚拟天线的数目M需满足：
优选地，步骤S4中，移动虚拟阵列为移动的均匀线性阵列，其阵列方向与接收机的运动方向一致。
优选地，步骤S5中，信道角度域特征参数包括水平到达角、水平离开角、俯仰到达角和俯仰离开角。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案结合串行/并行发射以及基于移动虚拟阵列的串行接收进行全/半串行多天线信道测量，具有较低的成本和复杂度，特别适用于高速铁路场景，可为高速铁路多天线信道测量数据库的构建提供有效支撑。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出单天线信道测量方式的示意图。
图2示出多天线信道测量方式中全并行方式的示意图。
图3示出多天线信道测量方式中半串行方式的示意图。
图4示出多天线信道测量方式中全串行方式的示意图。
图5示出基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法的示意图。
图6示出基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法应用于高架桥场景的实际高速铁路信道测量得到的水平到达角与理论计算得到的水平到达角比较图。
图7示出基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法应用于U型槽场景的实际高速铁路信道测量得到的水平到达角与理论计算得到的水平到达角比较图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图5所示，基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法包括：
S1、发射机采用串行/并行发射方式发射无线信道激励信号；
S2、接收机在移动条件下接收无线信道激励信号，并提取时变信道冲激响应数据；
S3、选取时变信道冲激响应数据中连续相邻的几个采样点作为一个集合，确定虚拟天线的间距和数目，将集合内的采样点映射为多根虚拟天线；
S4、由集合内的虚拟天线组成虚拟阵列，并随接收机的移动，形成移动虚拟阵列；
S5、通过串行/并行发射方式结合基于移动虚拟阵列的串行接收方式，实现全/半串行多天线信道测量，获取信道角度域特征参数。
其中，
步骤S1中，串行发射方式是指一台发射机通过高速切换开关，连接由多根实际天线组成的天线阵列，以时分复用的方式发射信号；并行发射方式是指多台发射机一一对应的连接多根实际天线，以频分复用或者码分复用的方式发射信号。
步骤S2中，在移动条件下是指以稳定的速率运动，这样可以保证后续构成的虚拟阵列具有固定间隔的天线间距。对于接收机的移动速率，一般通过速度传感器记录。
步骤S3中，集合的选取条件为：
满足在测量过程中，信道处于静止或亚静止状态，即
Ti·N+Ts·(M'-1)≤Tc；
其中，当i为奇数时，发射机采用串行发射方式发射无线信道激励信号，Ti为高速切换开关的切换周期；当i为偶数时，发射机采用并行发射方式发射无线信道激励信号，Ti＝0；N为发射天线阵列的天线数目；Ts为时变信道冲激响应数据的采样周期；M'为集合内采样点的个数；Tc为信道相干时间。
虚拟天线的间距Δd由接收机的移动速率v与时变信道冲激响应数据的采样周期Ts决定，公式为
Δd＝vTs。
虚拟天线的数目M由集合内采样点的个数M'决定，需满足
其中，Tc＝1/2fm；fm＝v/λ表示最大多普勒频偏；λ为无线信道激励信号的波长。从上式可以看出，虚拟天线的最大数目与虚拟天线的间距成反比，并随高速切换天线的切换时长的增大而减小。如果不考虑切换时长，设定的虚拟天线的间距应小于半波长。
步骤S4中，移动虚拟阵列是一种移动的均匀线性阵列，其阵列方向与接收机的运动方向一致。
步骤S5中，信道角度域特征参数包括水平到达角、水平离开角、俯仰到达角和俯仰离开角。
将本发明应用于实际的高速铁路高架桥场景和U型槽场景信道测量，测量得到的最强径的水平到达角结果如图6和图7所示。作为参考，通过理论计算得到的水平到达角结果也在图6和图7中给出。从对比结果可以看出，实测结果与理论结果在水平到达角的整体变化趋势上具有较好的一致性，从而验证了本发明的可行性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、发射机采用串行/并行发射方式发射无线信道激励信号；
S2、接收机在移动条件下接收无线信道激励信号，并提取时变信道冲激响应数据；
S3、选取时变信道冲激响应数据中连续相邻的几个采样点作为一个集合，确定虚拟天线的间距和数目，将集合内的采样点映射为多根虚拟天线；
S4、由集合内的虚拟天线组成虚拟阵列，并随接收机的移动，形成移动虚拟阵列；
S5、通过串行/并行发射方式结合基于移动虚拟阵列的串行接收方式，实现全/半串行多天线信道测量，获取信道角度域特征参数。
2.根据权利要求1所述的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，步骤S1中，串行发射方式是指一台发射机通过高速切换开关，连接由多根实际天线组成的天线阵列，以时分复用的方式发射信号；并行发射方式是指多台发射机一一对应的连接多根实际天线，以频分复用或者码分复用的方式发射信号。
3.根据权利要求1所述的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，步骤S2中，在移动条件下是指以稳定的速率运动。
4.根据权利要求3所述的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，步骤S3中，集合的选取条件为：
满足在测量过程中，信道处于静止或亚静止状态，即
Ti·N+Ts·(M'-1)≤Tc；
其中，当i为奇数时，发射机采用串行发射方式发射无线信道激励信号，Ti为高速切换开关的切换周期；当i为偶数时，发射机采用并行发射方式发射无线信道激励信号，Ti＝0；N为发射天线阵列的天线数目；Ts为时变信道冲激响应数据的采样周期；M'为集合内采样点的个数；Tc为信道相干时间。
5.根据权利要求4所述的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，步骤S3中，虚拟天线的间距Δd由接收机的移动速率v与时变信道冲激响应数据的采样周期Ts决定：Δd＝vTs。
6.根据权利要求5所述的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，步骤S3中，虚拟天线的数目M由集合内采样点的个数M'决定，虚拟天线的数目M需满足：
M ≤ 1 + T c T s - T i · N T s .
7.根据权利要求3所述的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，步骤S4中，移动虚拟阵列为移动的均匀线性阵列，其阵列方向与接收机的运动方向一致。
8.根据权利要求1所述的基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法，其特征在于，步骤S5中，信道角度域特征参数包括水平到达角、水平离开角、俯仰到达角和俯仰离开角。
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