CN110212999B - 一种预测同一环境下不同频率通信信道参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种预测同一环境下不同频率通信信道参数的方法，包括以下步骤：1)选择标准随机信道模型，调整其参数，使其准确模拟基站与终端用户之间的无线信道类型及其参数；2)把使用的信道模型，模型参数及其随频率变化的趋势，信道类型划分及相关信息存储在基站中；3)通过测量及仿真，对当前信道环境设定频率平稳区间。在此频率范围内改变频率通信，信道参数可直接重复利用；4)当基站与用户之间开始通信时，对信道参数进行一次估计；根据估计出来的信道参数，借助信道模型对实际信道仿真，在仿真中推测改变频率并超出频率平稳区间的信道参数；5)当基站与用户在超出频率平稳区间的频率下通信时，推测出的信道参数可当作实际信道参数直接使用。

Description

一种预测同一环境下不同频率通信信道参数的方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种预测同一环境下不同频率通信信道参数的方法。

背景技术

在现有移动通信技术和未来5G通信中，用户和基站之间频繁使用不同频率的信号进行指令及数据的交换。即使在同一个环境下使用不用的频率通信，信号所经过的通信信道的畸变会有所不同。导致此不同的原因是不同频率的电磁波经过通信信道时被信道内的物体(环境:如建筑物，树木，车辆，人的身体等)以不完全相同的方式反射、散射和折射。如果能够通过在一个频率上的通信信道参数推测出此相同信道在其他频率上的信道参数，通信的效率及通信质量可以大幅度提高。

用户与基站之间需要使用不同的频率进行交互。传输数据前，如果更换频率，则信道的参数需要重新估计。通常采用在数据之间穿插导频的方式传输数据，接收数据的一方根据导频预测信道参数以及对通信信号的畸变，对接收信号进行反畸变。在现有技术中此过程占用相当比例的系统开销。

发明内容

本发明提出一种利用频域散射体演进来推测相同环境不同频率的通信信道参数的方法。通过已知频率的信道特性参数，利用标准随机信道模型推导出同一通信环境下不同频率的通信信道的参数，由此可以预测出在不同频率传输信号，通信信道对通信信号可能造成的畸变。其优点在于，利用频域散射体演推测出的其他频率上的信道参数与已知的当前频率下的信道参数有很好的一致性。

本发明不需要改变现有基站和终端用户的硬件设备，也不需要对现有标准模型，比如3GPP信道模型，做出调整。只需要预先用标准信道模型对实际通信信道进行模拟，并把模拟后带有特定参数的通信信道模型添加在基站的存储空间中。基站在需要与用户通信的时候，先测量一个频率上的信道，然后通过信道模型及相应的信道参数的变化趋势预测其他频率的信道参数。

本发明非常适用于现有跳频技术，以及LTE FDD和5G中上下行采用不同频率传输数据的通信场景。本发明尤其适用于5G通信中一些多频通信的特定应用场景，比如先用低于6GHz建立通信连接，然后利用毫米波传输数据的通信场景。本发明可以大幅度减少传输导频的开销，以提高数据传输效率。另外由于通信双方通过对信道参数的推测，相当于提前知道信道信息，这对整体的通信质量也有很大程度的贡献。

基站和用户之间所在的无线通信环境称之为无线通信信道，信道中对信号造成畸变的物体称为散射体。一个散射体可以是建筑、车辆、人群或由几个相似的物体构成，其对信号的影响随着频率变化而有所不同。信道的参数可以认为是通信信道中所有的散射体对信号的整体影响。现在的标准通信信道模型，如3GPP信道模型等，通过对通信信道中散射体的延迟和角度信息等的描述来建立信道模型，最终产生冲击信号响应来表示通信信道对传播在其中的特定频率的无线信号的影响。如果把环境中在一定频率下的所有影响信号的散射体表示为退潮时露出水面的岩石，如图1左图，则此环境中在另一频率下所有影响信号的散射体可以表示为涨潮时露出水面的岩石，如图1右图。从潮汐现象的比较中可以看出，涨潮退潮时岩石的数量有所不同，岩石的个体大小也有所不同。可以利用潮汐现象来描述同一个环境中不同频率下的信道散射体分布情况，其对信道参数的影响可以由图2的趋势线表示。如散射体之间的时延扩展/角度扩展，信道中散射体的个数在某一特定环境中随频率的升高变大趋势(趋势线在其他环境中有可能会下降，需要根据具体的信道测量参数为准)。

本发明根据信道参数随频率的变化趋势，提出一种在同一环境下，利用已知频率通信信道的参数，借助标准无线信道模型，采用散射体在频域的演进方法，预测此环境下其他频率通信信道参数的方法。本发明不需要改变现有基站和用户的硬件设备，只需要在基站的存储空间添加针对实际通信的随机信道模型及相应的信道参数的变化趋势。在基站与用户之间建立通信联系时，先确定当前通信信道的类型和信道模型，再从预存空间找到对应此信道特征的信道模型及其随频率变化的趋势。信道模型参数和此信道特征的对应关系需要通过测量具体得到。在相关时间范围内(信道中的移动物体不会对信道整体参数造成较大的影响)，当基站与终端用户之间频率改变时，根据基站初次与终端用户传输数据时估计的信道参数用模型对实际信道仿真，然后通过参数随频率的变化趋势，利用频域散射体演进的方法，用信道模型推测出该新频率下的信道参数。本发明方法可以节省通信数据中频繁使用的信道参数估计开销，从而提高系统的数据传输效率。

本发明的具体技术方案如下：

一种预测同一环境下不同频率通信信道参数的方法，包括以下步骤：

1)选择标准随机信道模型，调整其参数，使其准确模拟基站与终端用户之间的无线信道类型及其参数；

2)把所使用的标准随机信道模型，信道模型参数及随频率变化的趋势(如图2所示)，信道类型划分及相关信息存储在基站中；

3)通过测量及仿真，对当前信道环境设定频率平稳区间，即，在此频率范围内改变频率，信道参数不需要再估计，直接重复利用即可；

4)当基站与用户之间开始通信时，对信道的参数进行一次估计；根据估计出来的信道参数，借助信道模型对实际信道进行仿真，并在仿真中利用散射体频域演进的方法，如图3所示，推测改变频率并超出频率平稳区间的通信信道参数；

5)在基站与用户随后的通信中，模型推测出的新频率下的信道参数即为基站已知的信道参数，基站可直接利用推测出的信道参数对传输的数据进行处理。

进一步，在实际通信中，模型的仿真时间越短越好，对信道的仿真越准确越好。

进一步，步骤2)中所述信道模型参数包括散射体个数，每个散射体中的射线条数，以及含有时延扩展、角度扩展的信道参数；信道本身的特性参数，包括相关时间间隔。所述信道的类型划分包括白天交通密集型信道，夜晚交通稀疏型信道等，信道类型也可以根据类似特征增加或者减少。

进一步，步骤3)中所述频率平稳区间是信道本身的特性，标准模型中暂时不包含此参数，通过实际信道测量后，进行设定。例如，如果通信的频率范围包括0–6GHz频率范围和6–60GHz范围；对于一般室内环境，建议前者每个频率平稳区间可设为100MHz,一共有60个平稳区间；建议后者每个频率平稳区间为500MHz,一共有128个平稳区间。

进一步，步骤5)中基站可直接利用推测出的信道参数对传输的数据进行处理。所述处理对于发射信号而言是指发射端认为推测出来的信道参数及为实际信道参数，省去频率变化时对信道进行重新估计的过程，发射端可以直接对信号做最优的信道编码和预处理等。对于接受信号而言是指接收端对接受数据可直接利用催测出来的信道参数做均衡处理，信道解码等，尽可能减少信道对传输数据的畸变。

进一步，步骤4)中推测通信信道参数的过程包括以下步骤：

(1)在当前通信频率下根据估计出来的信道参数，借助信道模型对实际信道进行仿真，保存仿真后每一个生成的散射体的具体信息；

(2)当系统在时间相关间隔内切换通信频率后，统计频率改变后经历的频率平稳区间数量，根据散射体在频率演进过程中存活率跟踪每一个散射体

P_存活＝e^-λ*o

其中O表示经历平稳区间的数量，λ为变化率，P_存活表示散射体存活率；

(3)在频率演进过程中，如果跟踪的散射体灭亡，则从信道模型中去掉该散射体的信息；另外根据散射体数量随频率变化的趋势，找到切换频率后所期望散射体的数量。期望散射体的数量与存活的散射体数量的数量差即为需要生成散射体的数量；根据散射体数量差，生成新的散射体。生成散射体时，其所有参数(包括散射体中射线的参数)是根据趋势线找到在新的频率下的参数值，如图2所示；

(4)对于存活的散射体，保存其在信道中的位置信息，根据利用趋势线找到的新的射线参数重新生成构成此散射体的所有射线，由此保证存活的散射体与新生成的散射体的参数一致。

进一步，上述方法中步骤(3)中所述参数包括散射体中射线的参数。

进一步，上述方法中步骤(4)中所述位置信息是指时延信息及角度信息。

本发明的有益效果：

本发明可以在不改变现有移动网络硬件、基站天线和移动终端硬件的基础上，利用已知频率下的信道参数，推测相同通信环境下不同频率的信道参数，从而节约通信过程中针对信道估计产生的开销，有效提高数据传输效率。

本发明旨在减少数据通信中对信道信息估计所产生的开销，以提高数据传输效率。本发明可以帮助基站和用户通过对信道信息的预测，提前预知信道信息，对发射信号做最优编码和预处理，对于通信质量的提高也有极大的帮助。本发明的关键在于如何描述相同环境下不同频率上的通信信道特征及如何利用现有标准模型实现信道的仿真。

本发明采用的信道模型为随机标准信道模型，容易实施，占用资源少。频域散射体演进的方法也可借助其他信道模型实现，如用射线追踪(ray tracing)的方法建立的模型。因此，对于通信信道模型的选取没有限制，只要模型中有对散射体的描述，散射体频域演进的方法都适用。本发明所述基站与用户之间的通信环境随时间变化比较缓慢，不需要频繁更新信道模型的参数。因此，本发明也适用于环境改变不大的高速通信，如高铁场景、隧道场景、以及矿区等通信环境。

本发明不涉及具体协议层的设计，但适用于各种协议层来配合实现基于频域散射体演进来推测不同频率下信道参数的方法。本发明包括接收端和发射端天线矩阵天线数量不同的应用场景，如基站与手机的通信场景，或基站与车辆的通信场景。通常情况下，通信基站的天线数量多，用户终端的天线数量少，但是具体通信场景下通信双方天线数量使用可能不同，本发明对此没有特定要求。

附图说明

图1为利用潮汐现象表示相同环境下不同通信信道之间的相同及差异图。

图2为本发明随频率升高或降低的信道参数变化趋势图。

图3为本发明频域散射体演进示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

本发明根据相同通信环境下不同频率信道参数的变化趋势，在已知频率的信道参数基础上，借助信道模型，利用散射体在频域演进的方法推测不同频率下的信道参数，由此节约数据传输中用于估计信道参数的开销。

完整的相同环境下不同频率信道参数推测方法的具体实施如下：

1)选择合适的标准随机信道模型及参数，如标准的WINNER II模型(不包含毫米波波段)，或标准3GPP模型(包含毫米波波段)，使其可以比较准确地模拟出基站与终端用户之间的无线信道类型及其参数(有时需要预先根据实际环境的测量参数进行调整)。

2)基站预先存储针对其所在环境下与用户之间的通信信道的模型参数，如模型中需要设定的散射体个数，每一个散射体中的射线条数，信道参数(时延扩展、角度扩展、散射体数量等)随频率的变换趋势；基站同时需要存储信道本身的特性参数，如相关时间间隔等。根据所述通信信道的实际使用环境约束，可以适当划分通信信道的类型，如白天交通密集型信道或夜晚交通稀疏型信道，由此保证信道模型可以比较准确的反映出实际通信信道的参数，并且可以减少信道参数推测的复杂度。

3)对当前信道环境设定频率平稳区间，即，在此频率范围内改变频率，信道参数不需要再估计，直接重复利用即可。如在一般室内环境下0–6GHz频率范围内，每一个频率平稳区间可设为100MHz,一共可得60个平稳区间。在6–60GHz范围，每一个频率平稳区间为500MHz,一共有128个平稳区间。

4)当基站与终端用户之间建立通信后，在任意一个相关时间间隔开始时，基站与用户之间只需要对信道的参数进行一次估计。如果频率改变超过一个频率平稳区间，判断其通信信道的类型，借助信道模型和信道参数变化趋势(如图2所示)，根据估计出来的信道参数对实际信道进行仿真。利用散射体在频域的演进方法，推测在此相关时间间隔内改变频率后的通信信道参数。

5)借助于随机无线信道模型，用散射体在频域的演进方法，如图3所示，推测无限信道参数的过程如下:

(1)在当前通信频率下，利用选定的标准随机模型模拟一个信道的通信场景。根据当前估计的信道参数为实际信道，进行仿真，保存仿真后每一个生成的散射体的具体信息。

(2)当系统在相关时间间隔内切换通信频率后，找出频率改变后一共经过了多少频率平稳区间。根据散射体在频率演进过程中存活率跟踪每一个散射体

P_存活＝e^-λ*o

其中经历平稳区间的数量用O表示，λ为变化率，散射体存活率表示为P_存活，

(3)一旦跟踪的散射体灭亡，把这个散射体的信息从信道模型中去掉。另外根据散射体数量随频率变化的趋势，找到切换频率后所期望散射体的数量。期望散射体的数量与存活的散射体数量的数量差即为需要生成散射体的数量；根据散射体数量差，生成新的散射体。生成散射体时，其所有参数(包括散射体中射线的参数)是根据趋势线找到在新的频率下的参数值。

(4)每一个存活下来散射体在经过了频率演进后，保存其在信道中的位置信息(时延及角度信息)。但是构成其射线的参数是根据趋势线在新频率下找到的参数值，根据新的射线参数重新生成构成此散射体的所有射线。此处理方法保证存活下的散射体与新生成的散射体的参数一致。

6)频率的演进操作结束后，利用模型，重新产生新频率下的信道参数。基站可以直接用该新参数值当作实际信道的参数，对基站与终端用户之间的传输数据进行预处理，尽量减少信道对传输数据的畸变，并省去了频率变化时总是需要利用基站与终端用户之间的导频信息对信道进行重新估计的过程。

举例说明：终端用户与基站之间的通信环境(建筑及街道布局等)在特定时间内基本上不会改变，其信道可以简单分为白天交通密集和夜晚交通稀疏两种类型，并且信道参数随频率变化趋势不会改变。基站在需要与用户通信时，先确定是白天交通密集型信道还是夜晚交通稀疏型信道，并在信道预存空间找到此信道类型下的信道参数变化趋势。假设此信道的相关时间是5秒，在一个5秒的时间间隔内，根据基站与用户在初次通信时估计出来的在某一个频率上的信道参数，用信道模型对实际信道仿真。当采用其他频率通信时，超出了一个或者多个频率平稳区间，基站只需要根据信道参数的变化趋势，利用散射体频域演进的方法推测出信道在此新频率下的参数值。当基站知道信道信息，可以直接对发射信号做最优处理，或者直接用均衡器对此新频率下接收到的数据进行信道反畸变的处理。此过程可省略在一个相关时间内传输数据中穿插传输信道参数估计的信息，从而提高数据传输效率。

散射体在频域的演进实现重点在于，信道模型的选择和针对实际通信环境的参数调整。现有标准通信模型处于不断改进和更新的过程中，以适应5G通信信道环境。利用标准信道模型可以准确模拟大部分实际的通信场景。但需要花费一定的时间测量实际信道，找到合适的模型参数及参数随频率变化的趋势。这个过程在基站安装的过程中可以同时进行。另外经历较长时间(几个月或者几年)后，实际通信环境有所改变的情况下，模型的参数需要重新调整。该调整可由基站根据大量数据传输过程中对信道实际估计的结果对数据库进行自动更新来实现，不需要人工参与。另外散射体的存活率的计算也可以针对散射体的大小再进行细致的划分，由此适应改变通信频率时跨越很多频率平稳区而没有散射体存活的问题，从而保证信道参数在不同频率下的一致性。比如5G通信中一些多频通信的特定应用场景：先用低于6GHz建立通信连接，然后利用毫米波，6-100GHz或更高频率，传输数据的通信场景。

本发明涉及的信道模型及仿真的实现由基站完成。基站对信道信息推测的结果可以发送给终端用户，用户也可以直接利用推测的信道参数处理数据，不需要对改变频率后的信道信息进行估计，从而促进通信双方的通信效率同时得到提高。此外，由于基站和用户通过对信道信息的预测，提前知道信道信息，这对于通信质量的提高也有极大的帮助。

以上对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所述内容。熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化。比如采用不同的标准信道模型或非标准模型；信道类型的划分不是以车辆密集度为标准或者类型划分的更加细致；频率的范围涵盖所有低于6GHz或者高于6GHz的毫米波波段。任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种预测同一环境下不同频率通信信道参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择标准随机信道模型，调整其参数，使其准确模拟基站与终端用户之间的无线信道类型及其参数；

2)把所使用的标准随机信道模型，信道模型参数及随频率变化的趋势，信道类型划分及相关信息存储在基站中；

3)通过测量及仿真，对当前信道环境设定频率平稳区间，即，在此频率范围内改变频率，信道参数不需要再估计，直接重复利用即可；

4)当基站与用户之间开始通信时，对信道的参数进行一次估计；根据估计出来的信道参数，借助信道模型对实际信道进行仿真，并在仿真中利用散射体频域演进的方法，推测改变频率并超出频率平稳区间的通信信道参数；

5)在基站与用户随后的通信中，模型推测出的新频率下的信道参数即为基站已知的信道参数，基站可直接利用推测出的信道参数对传输的数据进行处理；

步骤4)中所述利用散射体频域演进的方法推测通信信道参数的过程包括以下步骤：

(1)在当前通信频率下根据估计出来的信道参数，借助信道模型对实际信道进行仿真，保存仿真后每一个生成的散射体的具体信息；

(2)当系统在时间平稳区间内切换通信频率后，统计频率改变后经历的频率平稳区间数量，根据散射体在频率演进过程中存活率跟踪每一个散射体

P_存活＝e^-λ*o

其中O表示经历平稳区间的数量，λ为变化率，P_存活表示散射体存活率；

(3)在频率演进过程中，如果跟踪的散射体灭亡，则从信道模型中去掉该散射体的信息；根据散射体数量随频率变化的趋势，找到切换频率后所期望散射体的数量；期望散射体的数量与存活的散射体数量的数量差即为需要生成散射体的数量；根据散射体数量差，生成新的散射体；生成散射体时，其所有参数，包括散射体中射线的参数，是根据趋势线找到在新的频率下的参数值；

(4)对于存活的散射体，保存其在信道中的位置信息，根据利用趋势线找到的新的射线参数重新生成构成此散射体的所有射线，由此保证存活的散射体与新生成的散射体的参数一致；所述位置信息是指时延信息及角度信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述信道类型划分包括白天交通密集型信道，夜晚交通稀疏型信道。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述信道模型参数包括散射体个数，每个散射体中的射线条数，以及含有时延扩展、角度扩展的信道参数；信道本身的特性参数，包括相关时间间隔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述频率平稳区间是信道本身的特性，标准模型中暂时不包含此参数，需要通过实际信道测量后，进行设定。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，对于一般室内环境，如果信道频率范围为0–6GHz，设定频率平稳区间为100MHz，一共有60个平稳区间；如果信道频率范围为6–60GHz，设定频率平稳区间为500MHz，一共有128个平稳区间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中基站可直接利用推测出的信道参数对传输的数据进行处理；所述处理是指发射端和接收端认为推测出来的信道参数为实际信道参数，省去频率变化时对信道进行重新估计的过程；发射端可以直接对信号做最优的信道编码和预处理，尽可能减少信道对传输数据的畸变，接收端可以直接对信号做均衡，信道解码。

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