CN107332594B - 一种mimo车载通信系统及其性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MIMO车载通信系统性能评估方法，所述系统基于传统的椭圆模型，将多跳散射模型通过几何变换等效为单点散射模型，并通过空间衰落相关性和信道容量以及多普勒参数评估MIMO多天线系统的性能，MIMO车载通信系统的接收端为至少一组阵元为全向天线的圆形阵列，并根据空间衰落相关函数

、MIMO多径信道容量

以及多普勒频谱分布函数

三类信息参数对系统性能进行评定，有益效果为：通过引入空间衰落相关系数，MIMO多径信道容量以及多普勒参数三个性能评价参数，分析发射端定向天线阵列相对于全向天线阵列的优势，从系统性能与波达信号分布及定向天线波束方向之间的关系发现，定向天线阵列的系统性能优于全向天线阵列的系统性能。

Description

一种MIMO车载通信系统及其性能评估方法

技术领域

本发明涉及终端MIMO多天线通信探测领域，尤其涉及一种MIMO车载通信系统及其性能评估方法。

背景技术

近年来MIMO无线通信技术飞速发展，已成为5G移动通信技术的一个主要研究对象，为了建立更高效的车载通信系统，匹配现实通信场景的MIMO衰落信道模型设计及其空间特征的准确认知尤为重要。针对移动通信环境，研究者提出了一系列聚焦在2D平面的基于几何统计的散射信道性能评估方法，如经典的散射体空间分布圆模型和椭圆模型。Qu推导了一个三维空间模型的多普勒频谱概率分布，Nawaz等人提出了由定向天线基站(BS)构成的三维散射信道性能评估方法，其中考虑了由于街道建筑、地面和其它垂直对象相互作用产生的高层平面角度散射。同样是基于微小区环境，Jiang推导出了一个一般性的3D散射信道模型，此模型中假定散射体均匀分布于BS周围，拓展了信道模型在空间角度方面的研究。一个基于M2M无线传播环境的3D椭圆模型由Riaz提出，研究者总结出位于移动站(MS)的相对方向上多路径波形的AOA出现频率最多。随着城市建设的不断发展以及汽车的普及，越来越多的研究者将城市街道传播场景的信道建模作为研究对象。Ghoraishi等人运用极坐标分析了一个基于2.2GHz频率的城市街道通信场景的非可视化传播信道模型数据。Cheng提出了一个改进型的各向异性车载通信几何散射模型，该模型仅聚焦在单散射和双散射，多跳散射的情况没有详细讨论。Mac Cartney等人在城市微小区环境中进行了两次测量实验并由此提出了适用于5G标准的路径损耗模型，该模型对于5G通信发展有重要的推动作用。Avazov设计了一个基于室外通信环境的LOS和NLOS传播条件下的几何街道散射信道性能评估方法，其中同样未考虑到波达信号的多跳散射传播路径。在信道建模的研究中，经典椭圆模型的主要缺陷就是对于波达信号的传播路径只考虑了单跳散射，而多跳散射传播路径未考虑；根据Ghoraishi等人对东京和横滨市中心的测量数据，射频跟踪接收器检测到了大量散射体信号，可以判断，对于较为狭窄的密集城市街道环境而言，仅仅考虑单点散射不太切合实际，因为有效街道宽度不足以匹配模型的最大散射区域。对于这样的街道微小区场景，单点散射假设的实现要求相当严格，而当考虑了波达信号的多散射传播路径之后，以往的散射信道性能评估方法将不再适用。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术之不足，考虑信道衰落信号相关性的同时引入等效散射点概念，提出了一种MIMO车载通信系统及其性能评估方法，通过引入空间衰落相关系数，MIMO多径信道容量和多普勒功率谱等性能评价参数，分析天线阵列的性能优势，具体由以下技术方案实现：

所述MIMO车载通信系统性能评估方法，基于传统的椭圆模型，将多跳散射模型通过几何变换等效为单点散射模型，并通过空间衰落相关性和信道容量评估MIMO多天线系统的性能，MIMO车载通信系统的接收端为至少一组阵元为全向天线的圆形阵列，并根据空间衰落相关函数ρ(m，n)：、MIMO多径信道容量

以及多普勒频谱分布函数p(f_m)三类信息参数对系统性能进行评定，

制定接收端圆形阵列的空间衰落相关函数如式(1)：

式(1)中，m、n表示阵元，Ψ_m(θ)是第m个阵元的导向矢量，f(θ_m)是多径信道对应方位角平面内的到达角AOA概率密度函数，

表示第n个阵元的共轭导向矢量；

通过互补累积分布函数得到各态历经容量，MIMO多天线系统在一个突发时间段内信道容量的平均值如式(2)：

式(2)中，N_t是发射端天线数，N_r是接收端天线数，S_NR表示信道的信噪比；R_r为接收端阵元间的N_r×N_r维相关矩阵；R_t为发送端阵元间的N_t×N_t维相关矩阵，此处不考虑发射端的相关性，故R_t应为单位矩阵，H_W为独立同分布信道的R_r×R_t维的复高斯随机矩阵，

表示矩阵H_W·的共轭专转置，

为N_r×N_r维的单位矩阵；

制定接收端多普勒频谱分布函数如式(3)：

且θ_t1和θ_t2为方位阀值角度，到达角度θ_t1和θ_t2将散射区域划分为三部分，p₁、p₂、p₃分别表示f(θ_m)在所述三部分区域上对(0，r_m)区间上积分的边缘概率密度函数，f_m表示多普勒频移,f_m2表示接收端波达信号多普勒频率的峰值；

根据ρ(m，n)：、

以及p(f_m)制定的MIMO车载通信系统性能标准如下：

当

且ρ(m，n)：∈[0，0.2]且log₁₀(p(f_m))∈[-7，-3]时，MIMO车载通信系统性能达到优良。

所述MIMO车载通信系统性能评估方法的进一步设计在于，MIMO车载通信系统的发射端为部署角度范围为

的不对称定向天线。

所述MIMO车载通信系统性能评估方法的进一步设计在于，导向矢量Ψ(θ)的表达式如式(4)：

式中，[.]^T表示矩阵转置，r表示圆形阵列半径，λ为入射信号波长，θ_l＝2πl/L，l＝1,2…,L-1，L为接收端天线数目。

所述MIMO车载通信系统性能评估方法的进一步设计在于，f(θ_m)的表达式如式(5)：

式(4)中，A_x和A_y分别是x和y轴方向的损耗系数，M为一个常数，D表示发射端和接收端间的距离；r_m表示接收端到椭圆边上等效散射点的距离；

r_m与r_b的表达式分别对应于式(6)、式(7)：

其中，a、b表示等效椭圆信道的长轴、短轴，θ_b表示波达信号方位角平面内发射角。

所述MIMO车载通信系统性能评估方法的进一步设计在于，多普勒频谱分布函数p(f_m)通过如下步骤获得：

1)定义发射端多普勒频谱分布函数如式(8)：

式(3)中，f_m1代表发射端波达信号多普勒频率的峰值，f_b表示正弦波达信号的多普勒频移，φ_vb表示MT相对于x轴的移动方向；

2)设定发送端是静止的，而接收端相对于发送端运动，方向为φ_v，再根据f_b的条件式，如式(9)，结合式(8)得出所述接收端多普勒频谱分布函数；

式(3)中，θ_t1和θ_t2分别如式(10)、式(11)表示：

式(10)中的ρ₁和式(11)的ρ₂为非对称天线波束决定的散射区域边界分别如式(12)、式(13)表示：

所述MIMO车载通信系统性能评估方法的进一步设计在于，f_b如式(8)：

f_m2表示接收端波达信号多普勒频率的峰值，θ_b为一角度区间。

所述MIMO车载通信系统性能评估方法的进一步设计在于，将多跳散射模型通过几何变换等效为单点散射模型，接收端为至少一组阵元为全向天线的圆形阵列，发射端为部署角度范围为

的不对称定向天线。

本发明的有益效果为：

1、本发明MIMO多天线系统，接收端引入全向圆形阵列天线，在信道中考虑了多跳散射效应，有效拓展了空间统计信道模型及其深入对MIMO多天线阵列的收发性能，优化了终端天线阵列及无线通信系统的性能。

2、本发明MIMO多天线系统性能评估方法，通过引入空间衰落相关系数，MIMO多径信道容量等性能评价参数，分析发射端定向天线阵列相对于全向天线阵列的优势，从系统性能与波达信号分布及定向天线波束方向之间的关系发现，定向天线阵列的系统性能优于全向天线阵列的系统性能。

附图说明

图1城市狭窄街道车载移动通信环境。

图2通信信道散射传播路径及其等效单点模型。

图3是本发明MIMO多天线圆形阵列的结构示意图。

图4 AOD和TOA的联合概率分布曲线(D＝60m，N＝5)。

图5发射功率谱分布随波束宽度及街道宽度的变化曲线(D＝60m，N＝5)。

图6接收功率谱分布随波束宽度和散射次数的变化曲线(W＝18m,d＝5m，D＝60m)。

图7多普勒功率谱密度分布曲线(D＝60m，N＝3)。

图8圆形阵列的空间相关性分布(D＝60m,W＝18m,d＝5m)。

图9圆形阵列信道容量分布(D＝60m,W＝18m,d＝5m，SNR＝20dB，Nr＝4)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

如图1，图1描绘了狭窄城市街道车载移动通信环境。路径P1是单点散射路径，对应的是传统的EBSBM模型，点S1表示单点模型上的一个散射点；传统的椭圆模型已经被证实适用于室外微小区无线传播环境，然而本申的技术方案是针对狭窄的密集城市街道，在此环境下，街道两边的散射分布仍然呈现椭圆形状，只是由于模型中考虑了多跳散射，所以大部分实际散射体是沿着街道两边密集分布的，同时由于散射次数的不确定性，直接分析街道模型中的多跳散射路径很难实现。因此，为了使提出的模型与城市街道环境更接近，本申请在传统的椭圆模型基础上进行了改进，将多跳散射通过几何变换近似等效为单点散射分析。S2表示了双跳散射模型的一个等效散射点，此时的等效模型发生了倾斜，发射端(后文简称MT)由等效发射端MT’近似表示；路径P3为三跳散射路径，S3表示这个三跳散射路径的一个等效散射点；同样地，推广到多跳散射路径，PN可用相应的等效单点散射路径表示，这些等效散射点组成了改进的椭圆散射模型。

本发明分析天线阵列的性能优势基于二维空间相关性理论，首先研究多天线系统信道多散射路径及其等效单点模型，如图2所示。图2中，θ_t1和θ_t2为到达角度，θ_t1和θ_t2为方位阀值角度，到达角度θ_t1和θ_t2将散射区域划分为三部分，分别为TRU、UVWR和TRW。考虑到接收端(后文简称MR)的实际位置，信道模型假定发射端上部署角度范围为

的不对称定向天线，

限定了天线波束宽度，无取值范围，在测试过程中可以取为[20°,40°]，可以取[40°,80°]，本实施例采用[20°,40°]作为最优选的技术方案。MR部署如图3所示的一组全向圆形天线阵列(本实施例采用一组全向圆形天线阵列作为优选技术方案，其他情形与本实施例原理相同，在此不再赘述)，这种情况下等效散射信道模型的一般方程可以表示为

其中，椭圆的长轴a、短轴b和半焦距为c，D表示发射端和接收端间的距离，上述参数可以表示为

的表达式

b＝(n-1)W+d (8)

分析传统椭圆模型的评估方法，得出本发明模型的信号散射功率分布为：

经过雅可比变换后的联合发射功率谱概率分布可以表示为：

同样地联合接收功率谱概率分布可以表示为：

波达信号的发射角和时延的联合概率密度函数则可以表示为：

模型中边缘发射功率谱概率分布可以通过联合发射功率谱概率分布在角度区间θ_b上的积分得出

其中A表示发射端的定向天线产生的整个散射区，表示为：

f(θ_m)是多径信道对应方位角平面内的AOA概率密度函数，表示为：

系统性能评估参数：多普勒频谱、空间衰落相关性和遍历容量。模型中的MT和MR都处在运动之中，定义v_b为MT的移动速度，φ_vb表示MT相对于x轴的移动方向，定义v_m为MR的移动速度，φ_vm表示MR相对于x轴的移动方向，c_l表示光速，f_c1和f_c2分别表示载波信号和基带信号，此时正弦波达信号的多普勒频移可以表示为

其中f_m1和f_m2分别代表发射端和接收端波达信号多普勒频率的峰值，在式(15)AOD的边缘概率密度函数基础上可以得到MT端波达信号多普勒频谱分布函数如下

式中的f_b满足

以往的研究已经证明了多普勒频谱概率分布跟MT和MR的相对运动有关，为简单起见，分析中引入相对运动速度的概念，假设MT是静止的，而MR相对于MT运动，方向为φ_v。因此在式(17)AOA的边缘概率分布基础上可以推导出多普勒频谱分布函数如下：

式中，p₁、p₂、p₃分别表示f(θ_m)在所述三部分区域上对(0，r_m)区间上积分的边缘概率密度函数。

模型中MR端部署图3所示的圆形天线阵列，分析了提出的改进的多跳散射信道模型下的MIMO系统性能。由于提出的模型基于二维平面，MR端为圆形天线阵列时入射信号空间导向矢量表示为：

其中[.]^T表示矩阵的转置，r表示圆形阵列半径，λ为入射信号波长，θ_l＝2πl/L，l＝1,2…,L-1，L为接收端天线数目。

分析圆形阵列结构的MIMO系统的研究结论，阵元m与n之间的空间衰落相关函数(spatial fading correlation function,SFC)可表示为：

其中，Ψ_m(θ)是第m个阵元的导向矢量，f(θ_m)是多径信道对应方位角平面内的AOA概率密度函数。

信道容量的定义是以任意小的差错率传输信息的最大速率，它建立了可靠通信的基本极限。因此，信道容量被广泛应用于衡量多天线通信系统的接收性能，对系统设计具有重要的意义。MIMO天线接收系统通过使用多阵列天线增加系统容量，利用互补累积分布函数与各态历经容量描述随机MIMO信道容量的统计特性，假设发射功率均匀分配在每一个天线元上，此时本实施例的一个突发时间段内信道容量的平均值表示为：

式中[.]^H表示矩阵的共轭转置，N_t是发射端天线数，N_r是接收端天线数，S_NR表示信道的信噪比；R_r为接收端阵元间的N_r×N_r维相关矩阵；R_t为发送端阵元间的N_t×N_t维相关矩阵，此处不考虑发射端的相关性，故R_t应为单位矩阵，H_W为独立同分布信道的R_r×R_t维的复高斯随机矩阵；

为N_r×N_r维的单位矩阵。

根据上述技术方案的描述，本实施例与上述技术方案构建的模型进行了如下验证：

如图4所示，D＝60m，N＝5时信号的发射角AOD和传播时延TOA的联合概率分布。波达信号的PDF基本上集中在最小角度θ_b＝0°和最小时间延迟τ＝D/v处，散射模型的对称性使得AOD和TOA联合概率分布图缺失部分同样处于对称状态，表明此结果适用于描述城市街道环境的信道参数。

如图5所示，D＝60m，N＝5时发射功率谱分布随波束宽度

及街道宽度W的变化关系。PDF幅值随W减小而减小，且在

上呈上升趋势，在

上呈现下降趋势。当MT端装备全向天线时，曲线分布与Petrus的EBSBM系统评估数据基本一致，并且在大角度范围上更加优越。

如图6所示，考虑现实场景中MR的位置，W＝18m,d＝5m，D＝60m时不同波束宽度

对于接收功率谱分布的影响。可以发现，随着波束宽度增加，丢失部分图形慢慢扩大，结果并不是按照-θ_m和θ_m对称，只取决于街道多跳散射模型。曲线在左右两边有两处极小值，分别位于θ_m＝-θ_t1和θ_m＝θ_t2处，减小波束宽度，即减少被照射的散射体，PDF在零点两边曲线值减小，而在零处往往是相等的。将以上分析结果Zhou系统评估数据作比较，表明了本发明提出的模型的合理性。

如图7所示，D＝60m，N＝3时的多普勒功率谱密度分布曲线。当MR朝向MT运动的时候,多普勒频移显著增大,同时波束宽度增加时多普勒频移也随着增大，这是因为波束宽度增加使得散射体数量大量增加从而增加了传播路径数；另一方面，相对运动的方向不同也导致了多普勒频移分布的不同，在零点附近，φ_v＝90°时的多普勒频率要明显大于其他几种情况。本发明提出的多跳散射信道模型在装备全向天线时的多普勒概率分布和传统模型的多普勒分布曲线有很大的不同，总体上，分布曲线随着频率绝对值增加而增加，因为全向天线使得散射范围内的散射体数量不平衡；此外，多普勒曲线是不对称的，在左右两边有两个小的“低谷”，意味着多普勒频率跟AOD和AOA的统计分布有很大关联。多普勒功率谱密度分析结果和Avazov系统评估实验数据大体一致,证实了所提出的多跳散射信道模型的一般性，同时与Zhou系统评估数据以及Clarke U-shaped经典模型的实验数据作比较，发现其在反向大频率范围上的具有优势，更好的验证了本模型信道参数估计结果的优越性。

如图8所示，D＝60m,W＝18m,d＝5m时散射次数及波束宽度对MIMO系统圆形阵列单元(1,2)的空间相关性分布的影响。考虑到MIMO系统的整体特性，应最大限度地减小天线阵元的空间相关性，并尽可能减小相关性矩阵的各元素值。随着散射次数及波束宽度增加，信道空间相关性减小，当圆形阵列半径r为零时，其空间相关性最大，值为1；当r从0增加到0.25λ时，阵元间空间相关性迅速下降；当r＞0.25λ时，空间相关性呈小幅震荡下行趋势，并趋于极限值。仿真实验表明，全向圆形阵列分布系统性能明显优于定向线性阵列分布。

如图9所示，D＝60m,W＝18m,d＝5m，SNR＝20dB，Nr＝4时散射次数及波束宽度对四单元圆形阵列多天线系统信道容量分布的影响。在散射次数和波束宽度增加时，两阵列的相关性变弱，信道容量随之变大，当圆环半径r在(0,0.4λ)范围内不断增加时，阵元间的相关性快速下降(见图8)，使得信道容量相应地快速增加；在半径r接近0时，阵元间的相关性较大，使得信道容量较小；当r大于0.4λ之后，天线阵列的信道容量以小幅震荡平稳增长，最终趋于饱和极限值。以上的仿真结果与FU等人的实验数据相符合，表明此模型适用于特殊室外环境下的移动通信，清楚地证明了MIMO系统和更大规模的MIMO系统是未来无线街道通信环境的关键技术。

以上对本发明提供的MIMO车载通信系统性能评估方法进行了详细介绍，以便于理解本发明和其核心思想。对于本领域的一般技术人员，在具体实施时，可根据本发明的核心思想进行多种修改和演绎。综上所述，本说明书不应视为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种MIMO车载通信系统性能评估方法，所述系统基于传统的椭圆模型，其特征在于将多跳散射模型通过几何变换等效为单点散射模型，并通过空间衰落相关性和信道容量评估MIMO多天线系统的性能，MIMO车载通信系统的接收端为至少一组阵元为全向天线的圆形阵列，并根据空间衰落相关函数ρ(m，n)、MIMO多径信道容量

以及多普勒频谱分布函数p(f_m)三类信息参数对系统性能进行评定，

制定接收端圆形阵列的空间衰落相关函数如式(1)：

式(1)中，m、n表示阵元，Ψ_m(θ)是第m个阵元的导向矢量，f(θ_m)是多径信道对应方位角平面内的到达角AOA概率密度函数，

表示第n个阵元的共轭导向矢量；

通过互补累积分布函数得到各态历经容量，MIMO多天线系统在一个突发时间段内信道容量的平均值如式(2)：

式(2)中，N_t是发射端天线数，N_r是接收端天线数，S_NR表示信道的信噪比；R_r为接收端阵元间的N_r×N_r维相关矩阵；R_t为发送端阵元间的N_t×N_t维相关矩阵，此处不考虑发射端的相关性，故R_t应为单位矩阵，H_W为独立同分布信道的R_r×R_t维的复高斯随机矩阵，

表示矩阵H_W的共轭专转置，

为N_r×N_r维的单位矩阵；

制定接收端多普勒频谱分布函数如式(3)：

且θ_t1和θ_t2为方位阈值角度，到达角度θ_t1和θ_t2将散射区域划分为三部分，p₁、p₂、p₃分别表示f(θ_m)在所述三部分区域上对(0，r_m)区间上积分的边缘概率密度函数，f_m表示多普勒频移,f_m2表示接收端波达信号多普勒频率的峰值；设定发送端是静止的，而接收端相对于发送端运动，方向为φ_v；

根据ρ(m，n)、

以及p(f_m)制定的MIMO车载通信系统性能标准如下：

当

且ρ(m，n)∈[0，0.2]且log₁₀(p(f_m))∈[-7，-3]时，MIMO车载通信系统性能达到优良；MIMO车载通信系统的发射端为部署角度范围为

的不对称定向天线，

分别为波达信号方位角平面内发射角的设定的极值；

f(θ_m)的表达式如式(5)：

式(5)中，A_x和A_y分别是x和y轴方向的损耗系数，M为一个常数，D表示发射端和接收端间的距离；r_m表示接收端到椭圆边上等效散射点的距离；

r_m与r_b的表达式分别对应于式(6)、式(7)：

其中，a、b表示等效椭圆信道的长轴、短轴，c为半焦距，θ_b表示波达信号方位角平面内发射角。

2.根据权利要求1所述的MIMO车载通信系统性能评估方法，其特征在于导向矢量Ψ(θ)的表达式如式(4)：

式中，[.]^T表示矩阵转置，r表示圆形阵列半径，λ为入射信号波长，θ_l＝2πl/L，l＝1,2…,L-1，L为接收端天线数目，θ₀为初始方位角。

3.根据权利要求1所述的MIMO车载通信系统性能评估方法，其特征在于多普勒频谱分布函数p(f_m)通过如下步骤获得：

1)定义发射端多普勒频谱分布函数如式(8)：

式(8)中，f_m1代表发射端波达信号多普勒频率的峰值，f_b表示正弦波达信号的多普勒频移，φ_vb表示发射端相对于x轴的移动方向；

2)再根据f_b的条件式，根据式(9)，结合式(8)得出所述接收端多普勒频谱分布函数；

式(3)中，θ_t1和θ_t2分别如式(10)、式(11)表示：

式(10)中的ρ₁和式(11)的ρ₂为非对称天线波束决定的散射区域边界分别如式(12)、式(13)表示：

4.根据权利要求3所述的MIMO车载通信系统性能评估方法，其特征在于f_b如式(14)：

θ_b为一角度区间，v_b为发射端的移动速度，f_c1表示载波信号，c_l表示光速。

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