CN106850006A - 一种基于mimo的信道建模装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MIMO的信道建模装置和方法，涉及通信技术领域，用于减少建模的资源损耗，提高工作效率。该基于MIMO的信道建模装置包括非实时模块和实时模块；其中，非实时模块包括路径衰落信息生成单元和空间相关矩阵生成单元，路径衰落信息生成单元用于生成L条路径衰落信息，空间相关矩阵生成单元用于生成L组(MN*NM)的相关矩阵；实时模块包括矩阵处理子模块和与M根接收天线一一对应的接收天线信号处理子模块，矩阵处理子模块包括与L条路径衰落信息一一对应的路径信号处理单元。本发明用于对MIMO通信系统进行建模。

Description

一种基于MIMO的信道建模装置和方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于MIMO的信道建模装置和方法。

背景技术

目前，MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)通信系统成为数字通信研究中的一个热点，其在发射端和接收端分别使用多个发射电线和接收天线，使信号通过发射端和接收端的多个天线进行传送和接收，从而改善通信质量。

现有技术中，在对MIMO通信系统进行研究时，通常需要建模，然而，本申请的发明人发现，现有技术中的信道建模装置需要损耗较多的资源，存在工作效率较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MIMO的信道建模装置和方法，用于减少建模的资源损耗，提高工作效率。

为达到上述目的，本发明所提供的基于MIMO的信道建模装置采用如下技术方案：

一种基于MIMO的信道建模装置包括非实时模块和实时模块；其中，非实时模块包括路径衰落信息生成单元和空间相关矩阵生成单元，路径衰落信息生成单元用于生成L条路径衰落信息，空间相关矩阵生成单元用于生成L组(MN*NM)的相关矩阵，其中，N为发射天线的数量，M为接收天线的数量，MN＝M*N，NM＝N*M，L、N和M均为正整数；实时模块包括矩阵处理子模块和与M根接收天线一一对应的接收天线信号处理子模块，矩阵处理子模块包括与L条路径衰落信息一一对应的路径信号处理单元，路径信号处理单元分别与路径衰落信息生成单元和空间相关矩阵生成单元连接，用于利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号；接收天线信号处理子模块与矩阵处理子模块连接，用于对信道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。

由于该基于MIMO的信道建模装置具有上述结构，因此，可以先通过路径衰落信息生成单元生成L条路径衰落信息，通过空间相关矩阵生成单元生成L组(MN*NM)的相关矩阵，再通过第一路径信号处理单元利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号，最后通过接收天线信号处理子模块对道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。由此可知，路径衰落信息生成单元只需要向矩阵处理子模块提供L条路径衰落信息即可，相比于现有技术，明显地减少了建模的资源损耗，提高了工作效率。

此外，本发明还提供了一种基于MIMO的信道建模方法，该方法包括：步骤S1、生成L条路径衰落信息和L组(MN*NM)的相关矩阵，其中，N为发射天线的数量，M为接收天线的数量，MN＝M*N，NM＝N*M，L、N和M均为正整数；步骤S2、利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号；步骤S3、对信道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。

该基于MIMO的信道建模方法与上述的基于MIMO的信道建模装置相配合使用，因此，该基于MIMO的信道建模方法具有与上述的基于MIMO的信道建模装置相同的有益效果，此处不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的基于MIMO的信道建模装置的模块示意图；

图2为本发明实施例中的路径信号处理单元的模块示意图；

图3为本发明实施例中的接收天线信号处理子模块的模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于MIMO的信道建模装置，如图1所示，该基于MIMO的信道建模装置包括非实时模块和实时模块。其中，非实时模块包括路径衰落信息生成单元和空间相关矩阵生成单元，路径衰落信息生成单元用于生成L条路径衰落信息，空间相关矩阵生成单元用于生成L组(MN*NM)的相关矩阵，其中，N为发射天线的数量，M为接收天线的数量，MN＝M*N，NM＝N*M，L、N和M均为正整数；实时模块包括矩阵处理子模块和与M根接收天线一一对应的接收天线信号处理子模块，矩阵处理子模块包括与L条路径衰落信息一一对应的路径信号处理单元，路径信号处理单元分别与路径衰落信息生成单元和空间相关矩阵生成单元连接，用于利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号；接收天线信号处理子模块与矩阵处理子模块连接，用于对信道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。示例性地，当N＝4，M＝4时，那么，空间相关矩阵生成单元可以生成L组(16*16)的相关矩阵，另外，L条路径衰落信息可分别用SEZ₁、SEZ₂、..SEZ_L来表示。

由于该基于MIMO的信道建模装置具有上述结构，因此，可以先通过路径衰落信息生成单元生成L条路径衰落信息，通过空间相关矩阵生成单元生成L组(MN*NM)的相关矩阵，再通过第一路径信号处理单元利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号，最后通过接收天线信号处理子模块对道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。由此可知，路径衰落信息生成单元只需要向矩阵处理子模块提供L条路径衰落信息即可，相比于现有技术，明显地减少了建模的资源损耗，提高了工作效率。

可选地，如图1所示，非实时模块还包括与路径衰落信息生成单元连接的小尺度衰落参数输入单元，用于向路径衰落信息生成单元提供小尺度衰落参数。具体地，小尺度衰落参数包括载波频点、移动速度和信号速率。

可选地，如图1所示，非实时模块还包括与空间相关矩阵生成单元连接的空间相关参数输入单元，用于向空间相关矩阵生成单元提供空间相关参数。具体地，空间相关参数包括到达角度、天线间隔和角度扩散。需要说明的是，相关矩阵是基于空间相关参数的配置来生成的，例如，相关矩阵的大小可以根据配置的发射天线数和接收天线数来决定，相关度可以根据天线的间距和到达角度的配置来生成。

可选地，如图2所示，路径信号处理单元包括随机数生成子单元、第一乘法器、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅里叶变换)子单元、第二乘法器和信息流流向处理子单元；其中，第一乘法器分别与路径衰落信息生成单元和随机数生成子单元连接，IFFT子单元分别与第一乘法器和第二乘法器连接，第二乘法器还与空间相关矩阵生成单元连接，信息流流向处理子单元分别与第二乘法器和接收天线信号处理子模块连接。

下面以第1路径下的第一径信号SEZ₁为例，对该具有上述结构的路径信号处理单元进行说明。第一径信号SEZ₁通过第一乘法器与随机数生成子单元所提供的MN组随机数相乘，得到MN组小尺度衰落信号。然后，该MN组小尺度衰落信号通过IFFT子单元，得到时域上MN组小尺度衰落信道，接着，时域上MN组小尺度衰落信道通过第二乘法器与相关矩阵相乘，得到包含天线信息的MN组小尺度衰落信道，即此时第1路径下的衰落信道为P₁R₁T₁、P₁R₁T₂、P₁R₁T₃、…、P₁R₁T_N、P₁R₂T₁、P₁R₂T₂、P₁R₂T₃、…、P₁R₂T_N、P₁R_MT₁、P₁R_MT₂、P₁R_MT₃、…P₁R_MT_N，其中，P用于表示路径，R用于表示接收天线，T用于表示发射天线，例如，P₁R₁T₁表示第1路径下第1接收天线第1发射天线的信道信息。最后，通过信息流流向处理子单元将这包含天线信息的MN组小尺度衰落信道划分为M组，第1组小尺度衰落信道包括P₁R₁T₁、P₁R₁T₂、P₁R₁T₃、…P₁R₁T_N，第2组小尺度衰落信道包括P₁R₂T₁、P₁R₂T₂、P₁R₂T₃、…P₁R₂T_N，类似地，第M组小尺度衰落信道包括P₁R_MT₁、P₁R_MT₂、P₁R_MT₃、…P₁R_MT_N。如此处理，可以让R的下标为1的小尺度衰落信道流向第1根接收天线，R的下标为2的小尺度衰落信道流向第2根接收天线，类似地，R的下标为M小尺度衰落信道流向第M根接收天线，也就是说，最外层的索引由原来的按照路径索引变成了按照接收天线索引。

进一步地，如图3所示，接收天线信号处理子模块包括与L条路径衰落信息一一对应的衰落信号处理单元，第二路径信号处理单元包括依次连接的PFIR子单元、CIC(CascadeIntegrator Comb，积分梳状抽取滤波)子单元、N个第三乘法器、发射信号叠加子单元、路径延时信号处理子单元和第四乘法器，PFIR子单元还与信息流流向处理子单元连接；衰落信号处理单元还包括N个发射天线的信号输入子单元，各个第三乘法器还分别与对应的发射天线的信号输入子单元连接；衰落信号处理单元还包括路径振幅输入子单元，第四乘法器还与路径振幅输入子单元连接；接收天线信号处理子模块还包括路径信号叠加单元，各个衰落信号处理单元中的第四乘法器还均与路径信号叠加单元连接。其中，PFIR为可变的FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)滤波器系数，这个系数可以根据MATLAB编程得到。

下面以第1根接收天线中的第1路径小尺度衰落信道为例，对具有上述结构的接收天线信号处理子模块进行说明。第1路径小尺度衰落信道包括P₁R₁T₁、P₁R₁T₂、P₁R₁T₃、…P₁R₁T_N，这N个小尺度衰落信道依次经过PFIR子单元和CIC子单元进行内插滤波处理，再通过第三乘法器与相对应的发射天线的信号相乘，例如，N个发射天线的信号分别用Td₁、Td₂、…Td_N表示，则P₁R₁T₁与Td₁相乘，P₁R₁T₂与Td₂相乘，类似地，P₁R₁T_N与Td_N相乘，得到N个第一结果，这N个第一结果再通过发射信号叠加子单元，进行N条发射天线的信号叠加，得到第二结果，第二结果再通过第四乘法器与第1路径的振幅相乘，得到第1路径下的第1待叠加信号。类似地，可以得到第1根接收天线中的第2路径下的第2待叠加信号、第1根接收天线中的第3路径下的第3待叠加信号、…第1根接收天线中的第L路径下的第L待叠加信号，再通过路径信号叠加单元将第1待叠加信号、第2待叠加信号、…第L待叠加信号进行叠加，从而实现L条路径的叠加，生成第1接收天线的接收信号。

需要说明的是，第2接收天线、第3接收天线、…第M接收天线的接收信号的生成方法可以参照上述相关内容，此处不再进行赘述。

可选地，非实时模块采用DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)处理器实现，实时模块采用FPGA(Filed Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现。

为便于本领域技术人员进一步理解该基于MIMO的信道建模装置的优点，下面对上述内容做如下总结。

一方面，路径衰落信息生成单元仅仅生成L条路径衰落信息，FPGA自动生成随机数，能够极大降低DSP处理器处理的数据量，因此，该信道建模装置能够生成更宽的多普勒频移，在FPGA的处理速率为200MSPS时，能够最大生成±3MHZ的多普勒频移，满足模拟高速飞行的需求。例如，射频在6GHZ下可以支持每秒150公里这样高速飞行带来的多普勒频移，并且处理复杂度低，满足现在和未来对高速模型的需求。

另一方面，该信道建模装置具有通用性，可以满足不同的信道类型，例如，瑞利衰落、莱斯衰落或者各种多普勒频率，如经典谱、拉普拉斯谱和平坦谱，因此，该信道建模装置具有较强的实用性。

实施例二

本发明实施例提供了一种基于MIMO的信道建模方法，该信道建模方法基于实施例一所述的信道建模装置，该信道建模方法包括：

步骤S1、生成L条路径衰落信息和L组(MN*NM)的相关矩阵，其中，N为发射天线的数量，M为接收天线的数量，MN＝M*N，NM＝N*M，L、N和M均为正整数；

步骤S2、利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号；

步骤S3、对信道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。

需要说明的是，该基于MIMO的信道建模方法与如实施例一所述的基于MIMO的信道建模装置相配合使用，因此，该基于MIMO的信道建模方法的各个步骤的具体细节可参见实施例一中的相关描述，此处不再进行赘述。

该基于MIMO的信道建模方法与上述的基于MIMO的信道建模装置相配合使用，因此，该基于MIMO的信道建模方法具有与上述的基于MIMO的信道建模装置相同的有益效果，此处不再进行赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，包括非实时模块和实时模块；其中，

非实时模块包括路径衰落信息生成单元和空间相关矩阵生成单元，路径衰落信息生成单元用于生成L条路径衰落信息，空间相关矩阵生成单元用于生成L组(MN*NM)的相关矩阵，其中，N为发射天线的数量，M为接收天线的数量，MN＝M*N，NM＝N*M，L、N和M均为正整数；

实时模块包括矩阵处理子模块和与M根接收天线一一对应的接收天线信号处理子模块，矩阵处理子模块包括与L条路径衰落信息一一对应的路径信号处理单元，路径信号处理单元分别与路径衰落信息生成单元和空间相关矩阵生成单元连接，用于利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号；接收天线信号处理子模块与矩阵处理子模块连接，用于对信道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。

2.根据权利要求1所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，非实时模块还包括与路径衰落信息生成单元连接的小尺度衰落参数输入单元，用于向路径衰落信息生成单元提供小尺度衰落参数。

3.根据权利要求2所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，小尺度衰落参数包括载波频点、移动速度和信号速率。

4.根据权利要求1所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，非实时模块还包括与空间相关矩阵生成单元连接的空间相关参数输入单元，用于向空间相关矩阵生成单元提供空间相关参数。

5.根据权利要求4所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，空间相关参数包括到达角度、天线间隔和角度扩散。

6.根据权利要求1所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，路径信号处理单元包括随机数生成子单元、第一乘法器、IFFT子单元、第二乘法器和信息流流向处理子单元；其中，第一乘法器分别与路径衰落信息生成单元和随机数生成子单元连接，IFFT子单元分别与第一乘法器和第二乘法器连接，第二乘法器还与空间相关矩阵生成单元连接，信息流流向处理子单元分别与第二乘法器和接收天线信号处理子模块连接。

7.根据权利要求6所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，接收天线信号处理子模块包括与L条路径衰落信息一一对应的衰落信号处理单元，衰落信号处理单元包括依次连接的PFIR子单元、CIC子单元、N个第三乘法器、发射信号叠加子单元、路径延时信号处理子单元和第四乘法器，PFIR子单元还与信息流流向处理子单元连接；衰落信号处理单元还包括N个发射天线的信号输入子单元，各个第三乘法器还分别与对应的发射天线的信号输入子单元连接；衰落信号处理单元还包括路径振幅输入子单元，第四乘法器还与路径振幅输入子单元连接；接收天线信号处理子模块还包括路径信号叠加单元，各个衰落信号处理单元中的第四乘法器还均与路径信号叠加单元连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，非实时模块采用DSP处理器实现。

9.根据权利要求1-7任一项所述的基于MIMO的信道建模装置，其特征在于，实时模块采用FPGA实现。

10.一种基于MIMO的信道建模方法，其特征在于，包括：

步骤S1、生成L条路径衰落信息和L组(MN*NM)的相关矩阵，其中，N为发射天线的数量，M为接收天线的数量，MN＝M*N，NM＝N*M，L、N和M均为正整数；

步骤S2、利用相关矩阵对相对应的路径衰落信息进行处理，生成与各个接收天线相对应的信道时域相关信号；

步骤S3、对信道时域相关信号进行处理，得到与接收天线相对应的接收信号。