CN109951213B - 高空平台mimo三维几何随机模型建立方法及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法，初始化TMS周围等向散射和非等向散射的散射体数目；确定HAP天线单元到TMS天线单元之间的时变距离参数；确定HAP天线单元和TMS天线单元到散射体之间的时变距离参数；确定散射体到TMS天线单元的时变方位角参数和时变仰角参数；通过上述步骤中得到时变距离参数、时变方位角参数和时变仰角参数，求解三维几何随机模型的空时相关性函数，通过相关性分析来确定用户端天线间距、发端天线间距和环境因子对HAP‑MIMO信道的影响。同时提供了一种通信方法。本发明考虑了等向散射和非等向散射的散射体，更加符合实际的场景，因此可以更好的描述实际的信道的衰减情况。

Description

高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法及通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于等向散射和非等向散射的高空平台多输入多输出技术三维几何随机模型(HAP-MIMO 3-D GBSM)建立方法及通信方法。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，无线通信大业务量、高速率和高频谱效率的要求日益迫切，频谱资源已变得日益紧缺。在下一代无线通信技术中，高空平台被考虑为可以一种新的替代技术，已引起世界范围内的关注。在不增加发射功率和发送带宽的情况下，多输入多输出技术(Multiple-input Multiple-output，MIMO)可以明显的增加无线通信系统的性能。然而，MIMO技术子信道之间的相关性又可以很明显的降低系统的性能。作为一种新兴的技术，面临的挑战是研究MIMO技术在高空平台(High Altitude Platform，HAP)通信系统中的应用。在实际的场景中，天线之间的相关性影响着和速率和发送方案的设计。准确的信道建模可以为今后的系统性能分析以及预编码算法设计提供依据。
现有的技术中公开了：
E.T.Michailidis and A.G.Kanatas的文献“Three-dimensional HAP-MIMOchannels：modeling and analysis of space-time correlation(三维HAP-MIMO信道：建模和空时相关性函数分析)，”IEEE Trans.Veh.Technol.，vol.59，no.5，pp.2232-2242.Jun.2010，研究了三维的HAP-MIMO信道，用圆柱体的体积来模拟接收端周围的散射环境。然而，它仅仅适合于描述等向散射的散射环境，忽略了非等向散射的散射环境。
X.Cheng，Q.Yao，M.Wen，C.-X.Wang，L.-Y.Song，and B.-L.Jiao的文献“Widebandchannel modeling and intercarrier interference cancellation for vehicle tovehicle communication systems(V2V通信系统的宽带信道建模和载波间干扰消除技术)，”IEEE J.Sel.Areas Commun.，vol.31，no.9，pp.434-448，Sep.2013，提出了一种基于V2V通信系统的2-D GBSM，仅考虑了2-D非等向散射的散射环境。
L.Zeng，X.Cheng，C.-X.Wang，and X.Yin的文献“A 3D geometry-basedstochastic channel model for UAV-MIMO channels(一种UAV-MIMO信道的三维几何随机信道模型)，”in Proc.IEEE Wireless Commun.Netw.Conf.(WCNC)，pp.1-5，2017，仅考虑了无人机通信系统的一种基于非等向散射的三维几何随机模型，并假定散射体非均匀的分布在圆柱体的表面。
M.Zhu G.Eriksson and F.Tufvesson的文献“The COST 2100 channel model：parameterization and validation based on outdoor MIMO measurements at 300MHz(COST2100信道模型：基于室外300MHz的MIMO测量结果的参数和验证)，”IEEETrans.Wireless.Commun.，vol.12，no.2，pp.888-897，Feb.2013，测量结果显示了在GBSM中等向散射总是可见的。
H.Xiao，A.G.Burr，and L.Song的文献“A time-variant wideband spatialchannel model based on 3GPP model(基于3GPP模型的时变宽带空间信道模型)，”inProc.IEEE VTC-Fall，pp.1-5，Sep.2006，测量结果显示了时变参数可以准确描述实际的传播场景中信道的动态特性。
综上所述，在已有的信道模型中，都不够精确的描述HAP-MIMO信道的空间相关性，一种精确的信道模型可以为今后的系统性能分析以及预编码算法设计提供依据。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于等向散射和非等向散射的高空平台(high altitude platform，HAP)多输入多输出技术(multiple-input multiple-output，MIMO)三维(three dimensional，3-D)几何随机模型(geometry-based stochasticmodel，GBSM)建立方法。同时提供了一种使用上述方法得到的模型进行通信的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种高空平台MIMO(多输入多输出技术)三维几何随机模型(HAP-MIMO 3-D GBSM)建立方法，基于等向散射和非等向散射的散射体，包括如下步骤：
步骤S1：初始化陆地移动基站(terrestrial mobile station，TMS)周围等向散射和非等向散射的散射体数目分别为N1和N2；
步骤S2：确定HAP天线单元p到TMS天线单元l之间的时变距离参数；
步骤S3：确定HAP天线单元p和TMS天线单元l到散射体
Figure BDA0001518917810000021
之间的时变距离参数；
步骤S4：确定散射体
Figure BDA00015189178100000322
到TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数；
步骤S5：通过步骤S2、步骤S3和步骤S4中得到时变距离参数、时变方位角参数和时变仰角参数，求解三维几何随机模型(3-D GBSM)的空时相关性函数，通过相关性分析来确定用户端天线间距、发端天线间距和环境因子对高空平台多输入多输出技术(HAP-MIMO)信道的影响。
优选地，所述步骤S2中，高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l之间的时变距离参数的计算公式如下：
Figure BDA0001518917810000031
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，ξ(t)表示高空平台HAP到陆地移动基站TMS的初始水平距离，vR表示陆地移动基站TMS的速度，γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，π表示圆周率，取3.1415926。
优选地，所述步骤S3包括如下子步骤：
步骤S3.1：求解HAP天线单元p和TMS天线单元l到等向散射的散射体
Figure BDA00015189178100000323
之间的时变距离参数，计算公式如下：
Figure BDA0001518917810000032
Figure BDA0001518917810000033
Figure BDA0001518917810000034
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，
Figure BDA0001518917810000035
表示高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure BDA0001518917810000036
的初始距离，vR表示陆地移动基站TMS的速度，γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，vS表示散射体
Figure BDA0001518917810000037
的速度，γS表示散射体
Figure BDA0001518917810000038
的运动方向，βT表示高空平台HAP到陆地移动基站TMS的俯仰角，
Figure BDA0001518917810000039
表示散射体
Figure BDA00015189178100000310
到陆地移动基站TMS天线单元l的初始距离，
Figure BDA00015189178100000311
表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000312
的运动速度，
Figure BDA00015189178100000313
表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000314
的运动方向，
Figure BDA00015189178100000315
表示虚数单位，
Figure BDA00015189178100000316
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000317
的方位角，
Figure BDA00015189178100000318
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000319
的仰角。
步骤S3.2：求解HAP天线单元p和TMS天线单元l到非等向散射的散射体
Figure BDA00015189178100000320
之间的时变距离参数，计算公式如下：
Figure BDA00015189178100000321
Figure BDA0001518917810000041
式中：
Figure BDA0001518917810000042
表示高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure BDA0001518917810000043
的初始距离，
Figure BDA0001518917810000044
表示散射体
Figure BDA0001518917810000045
到陆地移动基站TMS天线单元l的初始距离，
Figure BDA0001518917810000046
表示散射分量离开散射体
Figure BDA0001518917810000047
的方位角，
Figure BDA0001518917810000048
表示散射分量离开散射体
Figure BDA0001518917810000049
的仰角。
优选地，所述步骤S4包括如下子步骤：
步骤S4.1：求解等向散射的散射体
Figure BDA00015189178100000410
到TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数的计算公式如下：
Figure BDA00015189178100000411
Figure BDA00015189178100000412
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，v表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000413
的运动速度，
Figure BDA00015189178100000414
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000415
的方位角，γ表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000416
的运动方向，vτ表示陆地移动基站TMS在τ时间内相对于散射体
Figure BDA00015189178100000417
的运动距离，
Figure BDA00015189178100000418
表示散射体
Figure BDA00015189178100000419
到陆地移动基站TMS的初始水平距离，
Figure BDA00015189178100000420
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000421
的仰角。
步骤S4.2：求解非等向散射的散射体
Figure BDA00015189178100000422
到TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数，计算公式如下：
Figure BDA00015189178100000423
Figure BDA00015189178100000424
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，v表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000425
的运动速度，
Figure BDA00015189178100000426
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000427
的方位角，γ表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000428
的运动方向，vτ表示陆地移动基站TMS在τ时间内相对于散射体
Figure BDA00015189178100000429
的运动距离，
Figure BDA00015189178100000430
表示散射体
Figure BDA00015189178100000431
到陆地移动基站TMS的初始水平距离，
Figure BDA00015189178100000432
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000433
的仰角。
优选地，所述步骤S5包括如下子步骤：
步骤S5.1：利用步骤S2、步骤S3和步骤S4中得到时变距离参数、时变方位角参数和时变仰角参数，求解3-D GBSM的空时相关性函数，计算公式如下：
Figure BDA0001518917810000051
Figure BDA0001518917810000052
其中：
Figure BDA0001518917810000053
Figure BDA0001518917810000054
Figure BDA0001518917810000055
Figure BDA0001518917810000056
Figure BDA0001518917810000057
Figure BDA0001518917810000058
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，
Figure BDA0001518917810000059
和
Figure BDA00015189178100000510
分别表示三维几何随机模型的直射分量和散射分量的空时相关性，δT和δR分别表示高空平台HAP天线阵列和陆地移动基站TMS天线阵列上相邻的两个天线单元之间的天线间距，K表示高空平台HAP天线单元到陆地移动基站TMS天线单元之间链路的莱斯因子，e表示自然对数的底数，取2.718281828459，λ表示载波波长，ξpl(t)表示高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l在时刻t的距离，ξpr(t+τ)表示高空平台HAP天线单元p′到陆地移动基站TMS天线单元l′在时刻t+τ的距离，fmax＝vR/λ表示最大多普勒频移，Rmax和Rmin分别表示散射体到陆地移动基站TMS的最大和最小水平距离，βmax和βmin分别表示散射体的最大仰角和最小仰角，
Figure BDA0001518917810000061
表示在t+τ时刻高空平台HAP天线单元p′到散射体
Figure BDA0001518917810000062
的距离，
Figure BDA0001518917810000063
表示在t+τ时刻散射体
Figure BDA0001518917810000064
到陆地移动基站TMS天线单元l′的距离，κ表示散射环境因子，μ表示散射分量的平均到达角，I0表示零阶贝塞尔函数，βi表示平均的仰角，σ表示仰角的角度扩展，
Figure BDA0001518917810000065
表示散射体
Figure BDA0001518917810000066
到陆地移动基站TMS的水平距离，R1表示用于描述陆地移动基站TMS周围散射环境的内层圆柱体的半径，
Figure BDA0001518917810000067
表示散射体
Figure BDA0001518917810000068
到陆地移动基站TMS的水平距离，R2表示用于描述陆地移动基站TMS周围散射环境的外层圆柱体的半径；
步骤S5.2：利用步骤S5.1得到的3-D GBSM空时相关性函数，确定用户端天线间距、发端天线间距和环境因子对HAP-MIMO信道的影响。
根据本发明的另一个方面，提供了一种通信方法，采用上述任一项所述的高空平台多输入多输出技术三维几何随机模型建立方法得到三维几何随机模型，使用所述三维几何随机模型进行通信。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的基于等向散射和非等向散射的高空平台多输入多输出技术三维几何随机模型(HAP-MIMO 3-D GBSM)建模方法，考虑了等向散射和非等向散射的散射体，并采用了时变参数描述平流层信道的信道特性；对于城市/郊区场景，其含有丰富的散射体，因此含有大量等向散射的散射体；平流层平台远远高于地面移动终端的高度，因此，移动终端周围的散射体具有较高的仰角，从而导致了其更小的非平稳特性；本发明采用了时变参数的两圆柱体信道模型，考虑了等向散射和非等向散射的散射体，更加符合实际的场景，因此可以更好的描述实际的信道的衰减情况。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为HAP-MIMO信道的3-D GBSM示意图；
图2为3-D GBSM投影的2-D几何模型时变参数示意图；其中，(a)为高空平台HAP和陆地移动基站TMS投影到xy-平面的二维几何关系图形，(b)为散射体和陆地移动基站TMS投影到xy-平面的二维几何关系图形；
图3为采用本发明建模方法得到的模型和ET模型得到的接收端空间相关性函数与测量数据比较图；
图4为采用本发明建模方法得到的模型的接收端天线单元在不同平台仰角下接收端空间相关性函数的比较图；
图5为采用本发明建模方法得到的模型在非时变参数和不同时变参数下接收端时间相关性函数的比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例采用两个圆柱体来描述TMS周围等向和非等向的散射环境，其中内层圆柱体体积和介于内层圆柱体和外层圆柱体之间的体积分别用来模拟等向和非等向的散射环境。由于HAP所处的位置高于TMS周围的散射环境，因此，平流层通信系统的散射体具有较高的仰角。非时变的参数已不够精确的描述HAP-MIMO通信系统的信道属性。本实施例考虑了更加实际的场景，因此可以更好的描述实际信道的衰减情况。
本实施例是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
步骤1：初始化陆地移动基站(terrestrial mobile station，TMS)周围等向散射和非等向散射的散射体数目为N1和N2；
本实施例主要考虑3-D HAP-MIMO信道的空时相关性，考虑等向散射和非等向散射的两种散射环境，因此本实施例初始化向散射和非等向散射的散射体数目分别为N1和N2。
步骤2：确定高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l之间的时变距离参数；
由于高空平台HAP和陆地移动基站TMS周围的散射体都具有高的仰角，导致了非时变参数已不够精确的描述高空平台多输入多输出技术通信系统的信道属性，因此，本实施例中采用时变参数来描述3-D GBSM的信道属性。本实施例需要求解时变距离参数和时变方位角参数和时变仰角参数，高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l的时变距离可以表示为：
Figure BDA0001518917810000081
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，ξ(t)表示高空平台HAP到陆地移动基站TMS的初始水平距离，vR表示陆地移动基站TMS的速度，γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，π表示圆周率，取3.1415926。
步骤3：确定高空平台HAP天线单元p和陆地移动基站TMS天线单元l到散射体
Figure BDA0001518917810000082
之间的时变距离参数；
由于考虑了等向散射和非等向的散射体，因此需要分别计算等向散射和非等向散射的散射到收发端天线的时变距离参数和时变角度参数，高空平台HAP天线单元p和陆地移动基站TMS天线单元l到等向散射的散射体
Figure BDA0001518917810000083
之间的时变距离参数，可以由以下计算公式得到：
Figure BDA0001518917810000084
Figure BDA0001518917810000085
Figure BDA0001518917810000086
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，
Figure BDA0001518917810000087
表示高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure BDA0001518917810000088
的初始距离，vR表示陆地移动基站TMS的速度，γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，vS表示散射体
Figure BDA0001518917810000089
的速度，γS表示散射体
Figure BDA00015189178100000810
的运动方向，βT表示高空平台HAP到陆地移动基站TMS的俯仰角，
Figure BDA00015189178100000811
表示散射体
Figure BDA00015189178100000812
到陆地移动基站TMS天线单元l的初始距离，
Figure BDA00015189178100000813
表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000814
的运动速度，
Figure BDA00015189178100000815
表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000816
的运动方向，
Figure BDA00015189178100000817
表示虚数单位，
Figure BDA00015189178100000818
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000819
的方位角，
Figure BDA00015189178100000820
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000821
的仰角。
高空平台HAP天线单元p和陆地移动基站TMS天线单元l到非等向散射的散射体
Figure BDA00015189178100000822
之间的时变距离参数的计算公式如下：
Figure BDA00015189178100000823
Figure BDA00015189178100000824
式中：
Figure BDA00015189178100000825
表示高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure BDA00015189178100000826
的初始距离，
Figure BDA00015189178100000827
表示散射体
Figure BDA00015189178100000828
到陆地移动基站TMS天线单元l的初始距离，
Figure BDA00015189178100000829
表示散射分量离开散射体
Figure BDA0001518917810000091
的方位角，
Figure BDA0001518917810000092
表示散射分量离开散射体
Figure BDA0001518917810000093
的仰角。
步骤4：确定散射体
Figure BDA0001518917810000094
到陆地移动基站TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数；
步骤3得到了收发端到等向散射和非等向散射的散射体的时变距离参数，在步骤4中我们将要得到收发端到等向散射和非等向散射的散射体的时变方位角和时变仰角参数，等向散射的散射体
Figure BDA0001518917810000095
到陆地移动基站TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数的计算公式如下：
Figure BDA0001518917810000096
Figure BDA0001518917810000097
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，v表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA0001518917810000098
的运动速度，
Figure BDA0001518917810000099
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000910
的方位角，γ表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000911
的运动方向，vτ表示陆地移动基站TMS在τ时间内相对于散射体
Figure BDA00015189178100000912
的运动距离，
Figure BDA00015189178100000913
表示散射体
Figure BDA00015189178100000914
到陆地移动基站TMS的初始水平距离，
Figure BDA00015189178100000915
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000916
的仰角。
非等向散射的散射体
Figure BDA00015189178100000917
到TMS天线单元l的时变方位角和仰角参数，可以由计算公式得到：
Figure BDA00015189178100000918
Figure BDA00015189178100000919
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，v表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000920
的运动速度，
Figure BDA00015189178100000921
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000922
的方位角，γ表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA00015189178100000923
的运动方向，vτ表示陆地移动基站TMS在τ时间内相对于散射体
Figure BDA00015189178100000924
的运动距离，
Figure BDA00015189178100000925
表示散射体
Figure BDA00015189178100000926
到陆地移动基站TMS的初始水平距离，
Figure BDA00015189178100000927
表示散射分量离开散射体
Figure BDA00015189178100000928
的仰角。
步骤5：通过步骤2、步骤3和步骤4中得到时变距离参数、时变方位角参数和时变仰角参数，求解3-D GBSM的空时相关性函数，通过相关性分析来确定用户端天线间距、发端天线间距和环境因子对HAP-MIMO信道的影响。
利用步骤2、步骤3和步骤4中得到时变距离参数、时变方位角参数和时变仰角参数，求解3-D GBSM的空时相关性函数，计算公式如下：
Figure BDA0001518917810000101
Figure BDA0001518917810000102
其中：
Figure BDA0001518917810000103
Figure BDA0001518917810000104
Figure BDA0001518917810000105
Figure BDA0001518917810000106
Figure BDA0001518917810000107
Figure BDA0001518917810000108
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，
Figure BDA0001518917810000109
和
Figure BDA00015189178100001010
分别表示三维几何随机模型的直射分量和散射分量的空时相关性，δT和δR分别表示高空平台HAP和陆地移动基站TMS天线阵列上相邻的两个天线单元之间的天线间距，K表示高空平台HAP天线单元到陆地移动基站TMS天线单元之间链路的莱斯因子，e表示自然对数的底数，取2.718281828459，λ表示载波波长，ξpl(t)表示高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l在时刻t的距离，ξp′l′(t+τ)表示高空平台HAP天线单元p′到陆地移动基站TMS天线单元l′在时刻t+τ的距离，fmax＝vR/λ表示最大多普勒频移，Rmax和Rmin分别表示散射体到陆地移动基站TMS的最大和最小水平距离，βmax和βmin分别表示散射体的最大仰角和最小仰角，
Figure BDA0001518917810000111
表示在t+τ时刻高空平台HAP天线单元p′到散射体
Figure BDA0001518917810000112
的距离，
Figure BDA00015189178100001127
表示在t+τ时刻散射体
Figure BDA0001518917810000113
到陆地移动基站TMS天线单元l′的距离，κ表示散射环境因子，μ表示散射分量的平均到达角，I0表示零阶贝塞尔函数，βi表示平均的仰角，σ表示仰角的角度扩展，
Figure BDA0001518917810000114
表示散射体
Figure BDA0001518917810000115
到陆地移动基站TMS的水平距离，R1表示内层圆柱体的半径，
Figure BDA0001518917810000116
表示散射体
Figure BDA0001518917810000117
到陆地移动基站TMS的水平距离，R2表示外层圆柱体的半径。
利用得到的3-D GBSM空时相关性函数，确定用户端天线间距、发端天线间距和环境因子对HAP-MIMO信道的影响。
图1中，p表示高空平台HAP的第p个天线单元，p′表示高空平台HAP的第p′个天线单元，l表示陆地移动基站TMS第l个天线单元，l′表示陆地移动基站TMS第l′个天线单元，HT表示高空平台HAP的高度，θT表示高空平台HAP天线单元的方向，
Figure BDA0001518917810000118
表示等向散射的散射体，
Figure BDA0001518917810000119
表示非等向散射的散射体，
Figure BDA00015189178100001110
表示高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure BDA00015189178100001111
的距离，
Figure BDA00015189178100001112
表示高空平台HAP天线单元p′到散射体
Figure BDA00015189178100001113
的距离，ξpl表示高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l的距离，
Figure BDA00015189178100001114
表示高空平台HAP到散射体
Figure BDA00015189178100001115
的方位角，ξ表示高空平台HAP到陆地移动基站TMS的水平距离，
Figure BDA00015189178100001116
表示散射体
Figure BDA00015189178100001117
的仰角，V1表示内层圆柱体的体积，V2表示外层圆柱体的体积，R1表示内层圆柱体的半径，R2表示外层圆柱体的半径，
Figure BDA00015189178100001118
表示散射体
Figure BDA00015189178100001119
的到陆地移动基站TMS天线单元l的距离，
Figure BDA00015189178100001120
表示陆地移动基站TMS天线单元的仰角，OR表示陆地移动基站TMS天线单元的中点，
Figure BDA00015189178100001121
表示散射体
Figure BDA00015189178100001122
的方位角，vR表示陆地移动基站TMS的速度，θR表示陆地移动基站TMS天线单元的方位角，γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，
Figure BDA00015189178100001123
表示散射体
Figure BDA00015189178100001124
到陆地移动基站TMS的距离，O′表示陆地移动基站TMS天线单元中点的水平投影点，
Figure BDA00015189178100001125
表示散射体
Figure BDA00015189178100001126
到陆地移动基站TMS的距离。
图2中，ξ(t+τ)表示在t+τ时刻高空平台HAP到陆地移动基站TMS的距离，θ1表示辅助变量，ξ(t)表示在t时刻高空平台HAP到陆地移动基站TMS的距离，γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，vRτ表示在τ时刻内陆地移动基站TMS运动的距离，
Figure BDA0001518917810000121
表示在t+τ时刻散射体
Figure BDA0001518917810000122
到陆地移动基站TMS的距离，
Figure BDA0001518917810000123
表示散射体，
Figure BDA0001518917810000124
表示散射体
Figure BDA0001518917810000125
到陆地移动基站TMS的水平初始距离，δ表示辅助变量，
Figure BDA0001518917810000126
表示在t时刻散射体
Figure BDA0001518917810000127
的方位角，γ表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure BDA0001518917810000128
的运动方向，
Figure BDA0001518917810000129
表示在t+τ时刻散射体
Figure BDA00015189178100001210
的方位角。
图3为采用本实施例建模方法得到的模型和ET模型得到的接收端空间相关性函数与V.Nikolaidis，N.Moraitis，and A.G.Kanatas的文献“Dual polarized MIMO LMSchannel measurements and characterization in a pedestrian environment”中测量数据比较图；其中，LL和RR分别表示收发端信号均为左旋圆和右旋圆极化波信号。文献采用提高的发端平台来模拟卫星平台，卫星和平流层通信系统其多径衰落主要是由于TMS周围的散射环境所引起的，因此，他们有着相似的陆地传播路径。本实施例采用模拟的卫星信道的测量数据验证本本实施例提出的3-D GBSM，从图3可以看出当天线间距δR/λ小于1.5时，本实施例提出的3-D GBSM和测量数据可以很好的吻合，从而验证了本实施例模型建立方法的有效性。
图4为采用本实施例建模方法得到的模型的接收端天线单元在不同平台仰角下接收端空间相关性函数的比较图；从图4可以看出在不同的平台仰角βT下，接收端空间相关性函数呈现出不同的振荡属性，其原因主要是由于不同βT引起了链路p-l和p′-l′之间不同的相位差。
图5为采用本本实施例建模方法得到的模型在非时变参数和不同时变参数下接收端时间相关性函数的比较图；从图5可以看出非时变参数模型和时变距离参数模型都不可以精确的描述HAP-MIMO系统的信道属性。因此，也验证了提出本实施例模型建立方法的必要性。
本实施例提供的高空平台多输入多输出技术的三维几何随机模型建立方法，基于等向散射和非等向散射的散射体实现。通过具体实例，采用两个圆柱体来描述等向散射和非等向散射环境，其中内层圆柱体体积和介于内层圆柱体和外层圆柱体之间的体积分别用来模拟等向和非等向的散射环境。在本实施例中，采用了时变参数(例如：接收端到散射体之间的距离、散射分量离开散射体的方位角和仰角)来研究HAP-MIMO信道。并采用空间相关性函数的测量结果验证本实施例提出的3-D GBSM建立方法，数值结果也说明了时变参数的3-D GBSM适合描述3-D HAP-MIMO信道。
实施例2
本实施例提供了一种通信方法，采用实施例1所述的高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法得到三维几何随机模型，使用所述三维几何随机模型进行通信。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法，其特征在于，基于等向散射和非等向散射的散射体，包括如下步骤：
步骤S1：初始化陆地移动基站TMS周围等向散射和非等向散射的散射体数目分别为N1和N2；
步骤S2：确定高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l之间的时变距离参数；
步骤S3：确定高空平台HAP天线单元p和陆地移动基站TMS天线单元l到散射体
Figure FDA0002929414930000015
之间的时变距离参数；
步骤S4：确定散射体
Figure FDA0002929414930000016
到陆地移动基站TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数；
步骤S5：通过步骤S2、步骤S3和步骤S4中得到时变距离参数、时变方位角参数和时变仰角参数，求解三维几何随机模型的空时相关性函数，通过相关性分析来确定用户端天线间距、发端天线间距和环境因子对HAP-MIMO信道的影响；
所述步骤S5，包括如下子步骤：
步骤S5.1：利用步骤S2、步骤S3和步骤S4中得到时变距离参数、时变方位角参数和时变仰角参数，求解三维几何随机模型的空时相关性函数，计算公式如下：
Figure FDA0002929414930000011
Figure FDA0002929414930000012
其中：
Figure FDA0002929414930000013
Figure FDA0002929414930000014
Figure FDA0002929414930000021
Figure FDA0002929414930000022
Figure FDA0002929414930000023
Figure FDA0002929414930000024
式中：γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，v(t+τ)表示陆地移动基站TMS在t+τ时间内相对于散射体的运动距离，
Figure FDA0002929414930000025
表示散射分量离开散射体
Figure FDA0002929414930000026
的方位角，
Figure FDA0002929414930000027
表示散射分量离开散射体
Figure FDA0002929414930000028
的仰角，t表示初始时刻，τ表示时延，
Figure FDA0002929414930000029
和
Figure FDA00029294149300000210
分别表示三维几何随机模型的直射分量和散射分量的空时相关性，δT和δR分别表示高空平台HAP天线阵列和陆地移动基站TMS天线阵列上相邻的两个天线单元之间的天线间距，K表示高空平台HAP天线单元到陆地移动基站TMS天线单元之间链路的莱斯因子，e表示自然对数的底数，取2.718281828459，λ表示载波波长，ξpl(t)表示高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l在时刻t的距离，ξp′l′(t+τ)表示高空平台HAP天线单元p′到陆地移动基站TMS天线单元l′在时刻t+τ的距离，fmax＝vR/λ表示最大多普勒频移，其中，vR表示陆地移动基站TMS的速度，Rmax和Rmin分别表示散射体到陆地移动基站TMS的最大和最小水平距离，βmax和βmin分别表示散射体的最大仰角和最小仰角，
Figure FDA00029294149300000211
表示在t+τ时刻高空平台HAP天线单元p′到散射体
Figure FDA00029294149300000212
的距离，
Figure FDA00029294149300000213
表示在t+τ时刻散射体
Figure FDA00029294149300000214
到陆地移动基站TMS天线单元l′的距离，κ表示散射环境因子，μ表示散射分量的平均到达角，I0表示零阶贝塞尔函数，βi表示平均的仰角，σ表示仰角的角度扩展，
Figure FDA00029294149300000215
表示散射体
Figure FDA00029294149300000216
到陆地移动基站TMS的水平距离，R1表示用于描述陆地移动基站TMS周围散射环境的内层圆柱体的半径，
Figure FDA00029294149300000217
表示散射体
Figure FDA00029294149300000218
到陆地移动基站TMS的水平距离，R2表示用于描述陆地移动基站TMS周围散射环境的外层圆柱体的半径；
Figure FDA00029294149300000219
表示在t时刻高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure FDA00029294149300000220
的距离；
Figure FDA00029294149300000221
表示在t时刻散射体
Figure FDA00029294149300000222
到陆地移动基站TMS天线单元l的距离；
步骤S5.2：利用步骤S5.1得到的三维几何随机模型空时相关性函数，确定用户端天线间距、发端天线间距和环境因子对HAP-MIMO信道的影响。
2.根据权利要求1所述的高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法，其特征在于，所述步骤S2中，高空平台HAP天线单元p到陆地移动基站TMS天线单元l之间的时变距离参数的计算公式如下：
Figure FDA0002929414930000031
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，ξ(t)表示高空平台HAP到陆地移动基站TMS的初始水平距离，π表示圆周率，取3.1415926。
3.根据权利要求1所述的高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法，其特征在于，所述步骤S3，包括如下子步骤：
步骤S3.1：求解高空平台HAP天线单元p和陆地移动基站TMS天线单元l到等向散射的散射体
Figure FDA0002929414930000032
之间的时变距离参数，计算公式如下：
Figure FDA00029294149300000327
Figure FDA0002929414930000033
Figure FDA0002929414930000034
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，
Figure FDA0002929414930000035
表示高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure FDA0002929414930000036
的初始距离，vR表示陆地移动基站TMS的速度，γR表示陆地移动基站TMS的运动方向，vS表示散射体
Figure FDA0002929414930000037
的速度，γS表示散射体
Figure FDA0002929414930000038
的运动方向，βT表示高空平台HAP到陆地移动基站TMS的俯仰角，
Figure FDA0002929414930000039
表示散射体
Figure FDA00029294149300000310
到陆地移动基站TMS天线单元l的初始距离，
Figure FDA00029294149300000311
表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure FDA00029294149300000312
的运动速度，
Figure FDA00029294149300000313
表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure FDA00029294149300000314
的运动方向，
Figure FDA00029294149300000315
表示虚数单位，
Figure FDA00029294149300000316
表示散射分量离开散射体
Figure FDA00029294149300000317
的方位角，
Figure FDA00029294149300000318
表示散射分量离开散射体
Figure FDA00029294149300000319
的仰角；
Figure FDA00029294149300000320
表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure FDA00029294149300000321
的速度向量；
Figure FDA00029294149300000322
陆地移动基站TMS的速度向量；
Figure FDA00029294149300000323
表示散射体
Figure FDA00029294149300000324
的速度向量；
步骤S3.2：求解高空平台HAP天线单元p和陆地移动基站TMS天线单元l到非等向散射的散射体
Figure FDA00029294149300000325
之间的时变距离参数，计算公式如下：
Figure FDA00029294149300000326
Figure FDA0002929414930000041
式中：
Figure FDA0002929414930000042
表示高空平台HAP天线单元p到散射体
Figure FDA0002929414930000043
的初始距离，
Figure FDA0002929414930000044
表示散射体
Figure FDA0002929414930000045
到陆地移动基站TMS天线单元l的初始距离，
Figure FDA0002929414930000046
表示散射分量离开散射体
Figure FDA0002929414930000047
的方位角，
Figure FDA0002929414930000048
表示散射分量离开散射体
Figure FDA0002929414930000049
的仰角。
4.根据权利要求1所述的高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法，其特征在于，所述步骤S4，包括如下子步骤：
步骤S4.1：求解等向散射的散射体
Figure FDA00029294149300000410
到陆地移动基站TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数的计算公式如下：
Figure FDA00029294149300000411
Figure FDA00029294149300000412
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，v表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure FDA00029294149300000413
的运动速度，
Figure FDA00029294149300000414
表示散射分量离开散射体
Figure FDA00029294149300000415
的方位角，γ表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure FDA00029294149300000416
的运动方向，vτ表示陆地移动基站TMS在τ时间内相对于散射体
Figure FDA00029294149300000417
的运动距离，
Figure FDA00029294149300000418
表示散射体
Figure FDA00029294149300000419
到陆地移动基站TMS的初始水平距离，
Figure FDA00029294149300000420
表示散射分量离开散射体
Figure FDA00029294149300000421
的仰角；
步骤S4.2：求解非等向散射的散射体
Figure FDA00029294149300000422
到陆地移动基站TMS天线单元l的时变方位角参数和时变仰角参数，计算公式如下：
Figure FDA00029294149300000423
Figure FDA00029294149300000424
式中：t表示初始时刻，τ表示时延，v表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure FDA00029294149300000425
的运动速度，
Figure FDA00029294149300000426
表示散射分量离开散射体
Figure FDA00029294149300000427
的方位角，γ表示陆地移动基站TMS相对于散射体
Figure FDA00029294149300000428
的运动方向，vτ表示陆地移动基站TMS在τ时间内相对于散射体
Figure FDA00029294149300000429
的运动距离，
Figure FDA00029294149300000430
表示散射体
Figure FDA00029294149300000431
到陆地移动基站TMS的初始水平距离，
Figure FDA00029294149300000432
表示散射分量离开散射体
Figure FDA0002929414930000051
的仰角。
5.一种通信方法，其特征在于，采用权利要求1至4中任一项所述的高空平台MIMO三维几何随机模型建立方法得到三维几何随机模型，使用所述三维几何随机模型进行通信。
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