CN110429959A - 一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法,具体包括以下步骤：（1）构建初始虚拟天线阵列;(2)在虚拟天线阵列中,对除底面以外的五个面进行编号;(3)虚拟天线阵列中的发射端均能够朝着各个方向发射信号传输到接收端,根据对各个面的编号,随着天线阵元编号变化,,求解导向矢量的闭合解;(4)求解第根天线和第根天线之间空间互相关性;（5）将初始虚拟天线阵列具体化,完成用于三维车载的虚拟天线阵列的建立。本发明的天线阵列能够准确的描述5G通信系统中的车载移动通信环境,不仅为车载移动通信带来便利,同时为5G无线通信系统信道测量、建模与估计提供了重要的理论参考和设计分析基础,具有非常重要的理论和应用价值。

Description

一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法

技术领域

本发明涉及信道模型技术领域,具体涉及一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法。

背景技术

近年来,伴随频谱利用率的不断提高,许多无线通信系统的设计中都引入了(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术。大规模MIMO,主要是指在发射端和接收端设置有成百上千根天线,这样可以满足5G车载无线通信的需求。在无线通信系统中,大规模MIMO能够提高频谱利用率和能量利用率,相比传统的MIMO无线通信系统具有广阔的应用前景。在5G无线通信网络中,大规模MIMO下的车与车(Vehicle-to-Vehicle,V2V)通信作为一大研究热点,国际上许多课题组对此展开深入研究。然而,我们在分析设计大规模MIMO下的V2V通信系统时,首先应当构建准确的无线信道模型。

当前文献提出了多种MIMO天线阵列模型,其中包括均匀线型阵列、均匀圆型阵列、均匀矩形阵列以及均匀同心圆环阵列。传输信号在上述MIMO天线阵列中满足远场假设,即假设波前是平面的。在2009年,K.Mammasis提出了Von Mises Fisher分布的函数式,推导了均匀圆型阵列中不同天线阵元的空间互相关性函数。为了充分利用无线信道的MIMO通信系统,我们需要准确地构建多径衰落下的MIMO信道模型。到目前为止,经过国际上许多研究团队的共同努力,提出了许多经典5G信道模型,比如Okumura/Hata、IEEE 802.16d、Winner II以及Clarke模型。早期文献主要提出二维几何散射模型来描述传统的MIMO信道,比如圆环模型、椭圆模型和中空圆环模型等等。而在实际的移动通信环境中,建筑大楼等路边障碍物大都竖直分布,因此信号会在三维空间中传输到接收端。鉴于此,当分析移动无线通信系统的性能时,应当考虑信号的竖直角度对于传输性能的影响。然而,上述信道模型主要基于远场的假设,并不能够准确地描述大规模MIMO信道模型。结合实验测量数据可知,当发射端/接收端设置有非常大的天线数目时,发射端与接收端的距离往往会小于Fraunhofer距离,因此不同合适采用平面波的假设来描述大规模MIMO信道。此时,我们需要假设波前是球面的。V2V信道的非平稳性不仅是指时间域上的非平稳特性,同时还指天线阵列上的非平稳性。通过对V2V信道在平面波假设和球面波假设中的传输特性进行比较可以发现,平面波假设会低估了信道矩阵的秩；同时,平面波假设只是集中在非常短的传输距离内,并不能准确地描述大规模MIMO无线通信系统。

当构建三维大规模MIMO V2V信道模型时,需要考虑散射簇的阵列演化和球面波假设。当前文献提出了一系列的大规模MIMO信道模型,但并没有考虑到信道的非平稳特性以及球面波假设对于传输特性的影响。为了能够准确地描述非平稳V2V移动通信环境,本发明提出一种三维车载大规模天线阵列模型,其中假设汽车的每个平面上都设置有大量的定向天线。在天线阵列模型中,主要采用了球面波的假设替代了传统的平面波假设。研究表明,与传统的天线阵列模型,本章的天线模型能够为无线通信系统提供更为理想的传输性能,因此能够广泛地应用到未来的V2V移动通信系统的设计中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法来解决5G通信系统中车载之间的通信问题。

为解决以上技术问题,本发明的技术方案为：提供一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法,其创新点在于：具体包括以下步骤：

(1)假设汽车的每个平面上都设置有大量的定向天线,将每个平面上都设置有大量的定向天线的汽车构建为初始虚拟天线阵列,在初始虚拟天线阵列中,采用球面波假设替代平面波假设,信道的冲激响应和复振幅以及天线阵列的导向矢量有关,则信道的复冲激响应表示为：

其中,α_j(t)表示复振幅,N表示大规模天线的数目,α_A和β_E分别表示发射信号在x轴与y轴正方向的夹角；

天线阵列模型的导向矢量a(α_A,β_E)公式为：

其中,m＝k_wd_xcosα_Acosβ_E,p＝k_wd_ycosα_Acosβ_E,k_w＝2π/λ,标量d_x和d_y分别表示x轴及y轴上两个天线阵元的间距,vec(·)表示对矩阵进行向量化处理；

(2)由于汽车的底面紧靠地面,很难通过汽车底面发出信号传输到接收端,在天线阵列模型中,对除底面以外的五个面进行编号；

(3)天线阵列模型中的发射端均能够朝着各个方向发射信号传输到接收端,根据对各个面的编号,随着天线阵元编号mpq变化,mpq＝1,2,...,N,导向矢量a_mpq(α_A,β_E)的闭合解表示为：

(4)假设发射信号在水平面的夹角和竖直面上的夹角均匀分布,且0≤α_A≤2π,0≤β_E≤π/2,定义d_x、d_y和d_z分别表示发射端的两个天线阵元在x轴、y轴以及z轴上的间距,d_x′、d_y′和d_z′分别表示接收端天线阵元在x′轴、y′轴以及z′轴上的间距,则第mpq根天线和第MPQ根天线之间空间互相关性表示为：

其中,d_Tx＝(m-M)d_xcosα_Acosβ_E,d_Ty＝(p-P)d_ysinα_Acosβ_E和d_Tz＝(q-Q)d_zsinβ_E；

(5)通过步骤(2)-(4)所得到的天线阵列模型的复冲激响应、导向矢量、导向矢量a_mpq(α_A,β_E)的闭合解以及天线阵列模型内天线与天线之间的相关性使得步骤(1)所构建的初始虚拟天线阵列具体化,完成天线阵列模型的建立。

进一步的,由所述步骤(1)中的天线阵列模型的导向矢量a(α_A,β_E)公式可知,当发射端与接收端之间的距离逐渐增加时,MIMO信道矩阵的属性逐渐由球面波阵趋向于平面波阵变化,当天线的导向矢量是平面波阵时,可忽略信号的竖直夹角(β_E＝0)。

进一步的,所述步骤(2)中除底面以外五个面分别为顶面、前面、后面、左侧面和右侧面,对顶面、前面、后面、左侧面和右侧面分别定义为UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG,即所述UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG上都布置有大规模定向天线,对五个面进行编号即对平面UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG依次进行编号。

进一步的,对所述平面UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG依次进行编号的导向矢量公式为：

a(α_A,β_E)＝[a₁(α_A,β_E),a₂(α_A,β_E),...,a_mpq(α_A,β_E),...,a_N(α_A,β_E)]^T

其中,a_mpq(α_A,β_E)表示在天线阵列模型中,第mpq根天线阵元的相位矢量,a_mpq(α_A,β_E)也可以表示为x轴、y轴以及z轴上的第m、p和第q根天线阵元,m＝1,2,...,W,p＝1,2,...,L和q＝1,2,...,H。

本发明和现有技术相比,产生的有益效果为：

本发明提供的一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法建立的天线阵列能够准确的描述5G通信系统中的车载移动通信环境,不仅为车载移动通信带来便利,同时为5G无线通信系统信道测量、建模与估计提供了重要的理论参考和设计分析基础,具有非常重要的理论和应用价值。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,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为本发明提出的三维车载虚拟天线阵列模型图。

图2为车载大规模MIMO天线阵列模型的天线布局。

图3为车载大规模MIMO天线阵列中不同阵元之间的空间相关性。

图4为AoD在水平面上的边缘概率密度分布。

图5为AoD在竖直面上的边缘概率密度分布。

图6为不同传输链路间的空间互相关特性。

图7为不同传输链路在不同接收端运动方向下的空间互相关特性。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法,其创新点在于：具体包括以下步骤：

(1)假设汽车的每个平面上都设置有大量的定向天线,将每个平面上都设置有大量的定向天线的汽车构建为初始虚拟天线阵列,如图1所示,将初始天线阵列等效为一长方体状阵列,在初始虚拟天线阵列中,采用球面波假设替代平面波假设,信道的冲激响应和复振幅以及天线阵列的导向矢量有关,则信道的复冲激响应表示为：

其中,α_j(t)表示复振幅,N表示大规模天线的数目,α_A和β_E分别表示发射信号在x轴与y轴正方向的夹角；

天线阵列模型的导向矢量a(α_A,β_E)公式为：

其中,m＝k_wd_xcosα_Acosβ_E,p＝k_wd_ycosα_Acosβ_E,k_w＝2π/λ,标量d_x和d_y分别表示x轴及y轴上两个天线阵元的间距,vec(·)表示对矩阵进行向量化处理；线阵列模型的导向矢量a(α_A,β_E)公式可知,当发射端与接收端之间的距离逐渐增加时,MIMO信道矩阵的属性逐渐由球面波阵趋向于平面波阵变化,当天线的导向矢量是平面波阵时,可忽略信号的竖直夹角(β_E＝0)；

(2)由于汽车的底面紧靠地面,很难通过汽车底面发出信号传输到接收端,在天线阵列模型中,除底面以外五个面分别为顶面、前面、后面、左侧面和右侧面,对顶面、前面、后面、左侧面和右侧面分别定义为UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG,即所述UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG上都布置有大规模定向天线,各个面的天线分布如图2所示,对五个面进行编号即对平面UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG依次进行编号,其中,对平面UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG依次进行编号的导向矢量公式为：

a(α_A,β_E)＝[a₁(α_A,β_E),a₂(α_A,β_E),...,a_mpq(α_A,β_E),...,a_N(α_A,β_E)]^T

其中,a_mpq(α_A,β_E)表示在天线阵列模型中,第mpq根天线阵元的相位矢量,a_mpq(α_A,β_E)也可以表示为x轴、y轴以及z轴上的第m、p和第q根天线阵元,m＝1,2,...,W,p＝1,2,...,L和q＝1,2,...,H。；

(3)天线阵列模型中的发射端均能够朝着各个方向发射信号传输到接收端,根据对各个面的编号,随着天线阵元编号mpq变化,mpq＝1,2,...,N,导向矢量a_mpq(α_A,β_E)的闭合解表示为：

(4)假设发射信号在水平面的夹角和竖直面上的夹角均匀分布,且0≤α_A≤2π,0≤β_E≤π/2,定义d_x、d_y和d_z分别表示发射端的两个天线阵元在x轴、y轴以及z轴上的间距,d_x′、d_y′和d_z′分别表示接收端天线阵元在x′轴、y′轴以及z′轴上的间距,则第mpq根天线和第MPQ根天线之间空间互相关性表示为：

其中,d_Tx＝(m-M)d_xcosα_Acosβ_E,d_Ty＝(p-P)d_ysinα_Acosβ_E和d_Tz＝(q-Q)d_zsinβ_E；

(5)通过步骤(2)-(4)所得到的天线阵列模型的复冲激响应、导向矢量、导向矢量a_mpq(α_A,β_E)的闭合解以及天线阵列模型内天线与天线之间的相关性使得步骤(1)所构建的天线阵列模型具体化,完成天线阵列模型的建立。

本发明将上述步骤建立的一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列加入仿真软件matlab内进行仿真,仿真结果分析如下：

本发明的用于三维车载天线阵列中不同天线阵元间的空间互相关特性如图3所示,从图中可得,伴随天线阵元间距的不断增加,空间互相关性会不断地减小；在发明的天线阵列模型的UVKT平面上,当模型中第m'p'q'根天线阵元的编号从12变化到45、50和100时,第mpq根天线和第m'p'q'根天线的间距会不断增加；此时,空间互相关性会不断地减小。而当(mpq,m'p'q')＝(1,200)时,两天线之间的距离会达到最大值。此时,空间相关性会小于其它的情况。

本发明的发射信号的AoD在水平面上的概率密度分布如图4所示,从图中可得,当D≥(a³-ab²)/(a²+b²)时,AoD的概率密度伴随α_T的增加而不断减小,当D≤(a³-ab²)/(a²+b²)时,AoD的概率密度分布在0≤α_T≤π/2区域中首先减小至一个固定值,然后在π/2≤α_T≤π区域中逐步增加。由于发明的几何信道模型的对称性,AoD的概率密度分布在-π≤α_T≤π中呈现相似的变化趋势。

本发明的发射信号的AoD在竖直面上的概率密度分布如图5所示,从图中可得,当MT发出的信号的竖直角度β_T从0变化至π/2时,AoD在竖直面上的概率密度分布逐渐减小至0,且AoD在竖直面上的概率密度分布与MT和MR之间的距离无关；当MT和MR之间的距离为50m和100m时,二者的AoD概率密度分布趋于重合；当竖直角度β_T设置为0时,AoD在竖直方向上的概率密度分布会逐渐减小；当街道的宽度b逐渐增加时,AoD会不断地减小；当模型散射区域的竖直高度c逐渐减小时,AoD的概率密度也就不断地减小。

本发明的不同传输路径间的空间互相关特性如图6所示,从图中可得,伴随天线阵元间距不断增加,不同传输路径间的空间互相关特性会不断减小；当第MPQ根天线的编号从12变化到200时,空间互相关性会逐渐减小。

本发明中的不同传输链路在不同接收端运动方向下的空间互相关特性如图7所示,从图中可得,在运动方向与运动时间固定不变时,当MR远离MT运动时,不同传输路径间的空间互相关特性会小于运动方向是和的情况。这是由于空间互相关特性会伴随传输距离的增大而减小,而当运动方向是时,其传输距离明显会大于其它的情况。而当MR朝着MT运动时,其空间互相关特性相对较大。此外,当MR的运动方向是时,空间互相关特性会明显小于运动方向是的情况。

上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计构思的前提下,本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围,本发明的请求保护的技术内容,已经全部记载在技术要求书中。

Claims (4)

1.一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法,其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)假设汽车的每个平面上都设置有大量的定向天线,将每个平面上都设置有大量的定向天线的汽车构建为初始虚拟天线阵列,在初始虚拟天线阵列中,采用球面波假设替代平面波假设,信道的冲激响应和复振幅以及天线阵列的导向矢量有关,则信道的复冲激响应表示为：

其中,α_j(t)表示复振幅,N表示大规模天线的数目,α_A和β_E分别表示发射信号在x轴与y轴正方向的夹角；

虚拟天线阵列的导向矢量a(α_A,β_E)公式为：

其中,m＝k_wd_xcosα_Acosβ_E,p＝k_wd_ycosα_Acosβ_E,k_w＝2π/λ,标量d_x和d_y分别表示x轴及y轴上两个天线阵元的间距,vec(·)表示对矩阵进行向量化处理；

(2)由于汽车的底面紧靠地面,很难通过汽车底面发出信号传输到接收端,在天线阵列模型中,对除底面以外的五个面进行编号；

(3)虚拟天线阵列中的发射端均能够朝着各个方向发射信号传输到接收端,根据对各个面的编号,随着天线阵元编号mpq变化,mpq＝1,2,...,N,导向矢量a_mpq(α_A,β_E)的闭合解表示为：

(4)假设发射信号在水平面的夹角和竖直面上的夹角均匀分布,且0≤α_A≤2π,0≤β_E≤π/2,定义d_x、d_y和d_z分别表示发射端的两个天线阵元在x轴、y轴以及z轴上的间距,d_x′、d_y′和d_z′分别表示接收端天线阵元在x′轴、y′轴以及z′轴上的间距,则第mpq根天线和第MPQ根天线之间空间互相关性表示为：

其中,d_Tx＝(m-M)d_xcosα_Acosβ_E,d_Ty＝(p-P)d_ysinα_Acosβ_E和d_Tz＝(q-Q)d_zsinβ_E；

(5)通过步骤(2)-(4)所得到的天线阵列模型的复冲激响应、导向矢量、导向矢量a_mpq(α_A,β_E)的闭合解以及天线阵列模型内天线与天线之间的相关性使得步骤(1)所构建的初始虚拟天线阵列具体化,完成用于三维车载的虚拟天线阵列的建立。

2.根据权利要求1所述的一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法,其特征在于：由所述步骤(1)中的天线阵列模型的导向矢量a(α_A,β_E)公式可知,当发射端与接收端之间的距离逐渐增加时,MIMO信道矩阵的属性逐渐由球面波阵趋向于平面波阵变化,当天线的导向矢量是平面波阵时,可忽略信号的竖直夹角(β_E＝0)。

3.根据权利要求1所述的一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法,其特征在于：所述步骤(2)中除底面以外五个面分别为顶面、前面、后面、左侧面和右侧面,对顶面、前面、后面、左侧面和右侧面分别定义为UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG,即所述UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG上都布置有大规模定向天线,对五个面进行编号即对平面UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG依次进行编号。

4.根据权利要求3所述的一种用于三维车载的大规模虚拟天线阵列的建立方法,其特征在于：对所述平面UVKT、TKGS、UVEF、UTSF和KVEG依次进行编号的导向矢量公式为：

a(α_A,β_E)＝[a₁(α_A,β_E),a₂(α_A,β_E),...,a_mpq(α_A,β_E),...,a_N(α_A,β_E)]^T

其中,a_mpq(α_A,β_E)表示在天线阵列模型中,第mpq根天线阵元的相位矢量,a_mpq(α_A,β_E)也可以表示为x轴、y轴以及z轴上的第m、p和第q根天线阵元,m＝1,2,...,W,p＝1,2,...,L和q＝1,2,...,H。