CN111181659A - 基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法 - Google Patents

基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111181659A
CN111181659A CN202010011555.1A CN202010011555A CN111181659A CN 111181659 A CN111181659 A CN 111181659A CN 202010011555 A CN202010011555 A CN 202010011555A CN 111181659 A CN111181659 A CN 111181659A
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel
doppler effect
sampling
simulator
doppler
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010011555.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111181659B (zh
Inventor
沈亮
房保卫
张吉林
李文军
李小红
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ksw Technologies Co ltd
Original Assignee
Ksw Technologies Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ksw Technologies Co ltd filed Critical Ksw Technologies Co ltd
Priority to CN202010011555.1A priority Critical patent/CN111181659B/zh
Publication of CN111181659A publication Critical patent/CN111181659A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111181659B publication Critical patent/CN111181659B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/0082—Monitoring; Testing using service channels; using auxiliary channels
    • H04B17/0087—Monitoring; Testing using service channels; using auxiliary channels using auxiliary channels or channel simulators
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/391—Modelling the propagation channel
    • H04B17/3912—Simulation models, e.g. distribution of spectral power density or received signal strength indicator [RSSI] for a given geographic region
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/06—Testing, supervising or monitoring using simulated traffic

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Transmission In General (AREA)

Abstract

本发明公开了基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，设置相对合理信道半波长采样密度SD，将移动终端的相对运动距离分为若干采样片段；其中fc是载波频率，c是光速，按照5G衰落模型的信道矩阵公式，计算每一个位置片段上的信道冲击响应矩阵h，得到该运动轨迹上的信道矩阵序列h1。本发明针对5G信道模型的多普勒效应在硬件仿真器中实现，在复杂度和计算量可控的基础上，精确模拟复杂场景的系统级仿真的多普勒频移和多普勒扩展，而且具有很好的抑制谐波效果。

Description

基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法。
背景技术
对于各种无线信道模型的建模方法主要基于两类：统计模型和几何模型。统计模型方法是指针对信道传播特性，选择典型情况对信号传输过程进行概率统计测量，将统计参数得到的统计量拟合出的相应公式作为信道传播模型，如常见的瑞利信道模型、莱斯信道模型等；而几何模型是通过研究信号在无线信道的传输特点，采用几何射线追踪建模得到的信道模型。常见的如4G通信标准协议3GPP 36.873协议、5G通信中的3GPP 38.901协议中定义的无线MIMO信道都是采用几何射线模型建模。
在无线移动通信系统中，当收、发信机之间存在相对运动时，接收端收到的信号频率就会发生变化，这种现象通常就被称为移动通信中的多普勒效应。而将接收端收到的信号频率与发射机发送信号的频率之间的差频称为多普勒频移，通常用Δf表示多普勒频移。
多普勒扩展BD是频谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。多普勒效应造成当发射频率为fc的单频波时，接收信号的频谱会从频率为fc的谱线扩展为fc-fm到fc+fm的有限谱带宽(fm＝max(fd))，在多径环境下，接收信号的频谱结构中会产生不同的多普勒频率偏移，这种频移会造成多普勒扩展。这相当于单频信号在通过多径信道时受到随机调频。多普勒频移Δf的增加将导致接收机的输入信噪比降低，从而影响到其误码率性能。
因此，现阶段需要提供基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法。
发明内容
本发明目的在于提供基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，用于解决现有技术中存在的技术问题，比如：多普勒扩展BD是频谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。多普勒效应造成当发射频率为fc的单频波时，接收信号的频谱会从频率为fc的谱线扩展为fc-fm到fc+fm的有限谱带宽(fm＝max(fd))，在多径环境下，接收信号的频谱结构中会产生不同的多普勒频率偏移，这种频移会造成多普勒扩展。这相当于单频信号在通过多径信道时受到随机调频。多普勒频移Δf的增加将导致接收机的输入信噪比降低，从而影响到其误码率性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，包括以下步骤：
S1：设置相对合理信道半波长采样密度SD，将移动终端的相对运动距离分为若干采样片段，假定运动一段长度为L米的距离，总共的采样片段总数为
Figure BDA0002357326900000021
其中fc是载波频率，c是光速，按照5G衰落模型的信道矩阵公式，计算每一个位置片段上的信道冲击响应矩阵h，得到该运动轨迹上的信道矩阵序列h1；此时的信道采样率为
Figure BDA0002357326900000022
其中v是终端物体相对基站的移动速度；
步骤1的作用是在满足采样定理的前提下，提取出能表征信道模型的冲击响应矩阵。
S2：在上位机中，通过软件将生成的若干采样点进行算法拟合内插，将拟合结果作为仿真器能存储的上位机信道系数，最后得到的信道矩阵序列h2，
此时的信道采样率为：
Figure BDA0002357326900000023
步骤2～3的作用是通过2次内插，分别基于软件拟合内插和硬件cic内插，将信道的采样率提高，降低输入信号和信道矩阵相乘时出现的谐波。
S3：将信道系数下载到仿真器FPGA的DDR中，根据S2的信道更新率读出，在FPGA上进行硬件CIC线性内插，最后得到信道矩阵h3，最终的硬件仿真器的信道采样率为：
Figure BDA0002357326900000024
S4：将线性内插后的信道系数h3与信号进行相乘，完成几何射线模型的多普勒效应模拟。
进一步的，步骤S1中，半波长采样密度不小于2。是因为采样过程应遵循奎斯特采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍；
进一步的，步骤S1中，半波长采样密度设置为2～8。既保证了满足奎斯特采样定理，又降低了计算复杂度。
进一步的，步骤S1中，5G衰落模型的信道矩阵公式为：
Figure BDA0002357326900000031
其中
pn：第n条径功率，
Frx,u,θ和Frx,u,φ：接收天线单元U在球面矢量方向上的场辐射(θ是到达俯仰角,φ是到达水平角)，
Ftx,u,θ和Ftx,u,φ：发射天线单元S在球面矢量方向上的场辐射(θ是出发俯仰角,φ是出发水平角)，
Kn,m：簇n第m子径交叉极化功率比，
Figure BDA0002357326900000032
和
Figure BDA0002357326900000033
笛卡尔坐标系下的接收机和发射机球面单位矢量，
Figure BDA0002357326900000034
和
Figure BDA0002357326900000035
接收天线单元U和发射天线单元S的位置矢量，
vn,m：终端因移动速度导致的多普勒频率分量。
进一步的，步骤S2中，拟合插值倍数M为4～8。
进一步的，步骤S3中，CIC插值倍数为32。CIC插值放在FPGA硬件中实现被证明是非常高效的。
本发明的有益技术效果是：该发明针对5G信道模型的多普勒效应在硬件仿真器中实现，在复杂度和计算量可控的基础上，精确模拟复杂场景的系统级仿真的多普勒频移和多普勒扩展，而且具有很好的抑制谐波效果。
附图说明
图1显示为本发明的实施例的方法流程示意图。
图2显示为本发明的大规模MIMO和3D散射无线信道。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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：
如图1所示，在硬件仿真器中模拟5G信道的多普勒效应，实现步骤如下：
1.设置相对合理信道半波长采样密度SD，将移动终端的相对运动距离分为若干采样片段，为了满足采样定律，半波长采样密度不能小于2，但如果半波长采样密度太大会导致计算复杂度太高，一般半波长采样密度设置为2～8。假定运动一段长度为L米的距离，总共的采样片段总数为
Figure BDA0002357326900000041
其中fc是载波频率，c是光速。每个采样点都会根据所在位置不同，计算每一个位置片段上的信道冲击响应矩阵h，从而得到该运动轨迹上的信道矩阵序列h1。此时的信道采样率为
Figure BDA0002357326900000042
其中v是终端物体相对基站的移动速度。
2.在上位机中，通过软件将生成的若干采样点进行算法拟合内插，比如采用三次埃尔米特内插(cubic Hermite)算法，将拟合结果作为仿真器能存储的上位机信道系数，一般拟合插值倍数M为4～8。最后得到的信道矩阵序列h2.
此时的信道采样率为
Figure BDA0002357326900000043
3.将信道系数下载到仿真器FPGA的DDR中，根据信道更新率读出，在FPGA上进行硬件CIC线性内插，此方法可以有效的去除由于信道采样率低于信号采样率而产生的谐波。一般CIC插值倍数为32。最后得到信道矩阵h3.最终的硬件仿真器的信道采样率为
Figure BDA0002357326900000044
4.将线性内插后的信道系数h3与信号进行时域卷积，完成几何射线模型的多普勒效应模拟。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置相对合理信道半波长采样密度SD，将移动终端的相对运动距离分为若干采样片段，假定运动一段长度为L米的距离，总共的采样片段总数为
Figure FDA0002357326890000011
其中fc是载波频率，c是光速，按照5G衰落模型的信道矩阵公式，计算每一个位置片段上的信道冲击响应矩阵h，得到该运动轨迹上的信道矩阵序列h1；此时的信道采样率为
Figure FDA0002357326890000012
中v是终端物体相对基站的移动速度；
S2：在上位机中，通过软件将生成的若干采样点进行算法拟合内插，将拟合结果作为仿真器能存储的上位机信道系数，最后得到的信道矩阵序列h2，
此时的信道采样率为：
Figure FDA0002357326890000013
S3：将信道系数下载到仿真器FPGA的DDR中，根据信道更新率读出，在FPGA上进行硬件CIC线性内插，此方法可以有效的去除由于信道采样率低于信号采样率而产生的谐波，最后得到信道矩阵h3，最终的硬件仿真器的信道采样率为：
Figure FDA0002357326890000014
S4：将线性内插后的信道系数h3与信号进行时域卷积，完成几何射线模型的多普勒效应模拟。
2.根据权利要求1所述的基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，其特征在于，步骤S1中，半波长采样密度不小于2。
3.根据权利要求1所述的基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，其特征在于，步骤S1中，半波长采样密度设置为2～8。
4.根据权利要求1所述的基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，其特征在于，步骤S1中，5G衰落模型的信道矩阵公式为：
Figure FDA0002357326890000015
其中，
pn：第n条径功率，
Frx,u,θ和Frx,u,φ：接收天线单元U在球面矢量方向上的场辐射，θ是到达俯仰角，φ是到达水平角，
Ftx,u,θ和Ftx,u,φ：发射天线单元S在球面矢量方向上的场辐射，θ是出发俯仰角，φ是出发水平角，
Kn,m：簇n第m子径交叉极化功率比，
Figure FDA0002357326890000021
和
Figure FDA0002357326890000022
笛卡尔坐标系下的接收机和发射机球面单位矢量，
Figure FDA0002357326890000023
和
Figure FDA0002357326890000024
接收天线单元U和发射天线单元S的位置矢量，
vn,m：终端因移动速度导致的多普勒频率分量。
5.根据权利要求1所述的基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，其特征在于，步骤S2中，拟合插值倍数M为4～8。
6.根据权利要求1所述的基于5G的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法，其特征在于，步骤S3中，CIC插值倍数为32。
CN202010011555.1A 2020-01-06 2020-01-06 基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法 Active CN111181659B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010011555.1A CN111181659B (zh) 2020-01-06 2020-01-06 基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010011555.1A CN111181659B (zh) 2020-01-06 2020-01-06 基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111181659A true CN111181659A (zh) 2020-05-19
CN111181659B CN111181659B (zh) 2021-02-19

Family

ID=70657910

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010011555.1A Active CN111181659B (zh) 2020-01-06 2020-01-06 基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111181659B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112671489A (zh) * 2020-12-17 2021-04-16 重庆邮电大学 基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法
CN113259018A (zh) * 2021-05-21 2021-08-13 成都坤恒顺维科技股份有限公司 一种应用于无线信道仿真系统中的码多普勒仿真实现方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102468892A (zh) * 2010-11-15 2012-05-23 中国移动通信集团公司 基于仿真通信系统的测试系统及信道仿真器
CN104137448A (zh) * 2012-02-13 2014-11-05 安耐特通信有限公司 无线电信道数据及其使用
CN104202275A (zh) * 2014-09-22 2014-12-10 清华大学 高速铁路中多天线接收系统的多普勒估计和校正方法
US20170188313A1 (en) * 2015-12-28 2017-06-29 Innowireless Co., Ltd. Control method for channel simulator
CN107484197A (zh) * 2017-05-23 2017-12-15 南京航空航天大学 任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102468892A (zh) * 2010-11-15 2012-05-23 中国移动通信集团公司 基于仿真通信系统的测试系统及信道仿真器
CN104137448A (zh) * 2012-02-13 2014-11-05 安耐特通信有限公司 无线电信道数据及其使用
CN104202275A (zh) * 2014-09-22 2014-12-10 清华大学 高速铁路中多天线接收系统的多普勒估计和校正方法
US20170188313A1 (en) * 2015-12-28 2017-06-29 Innowireless Co., Ltd. Control method for channel simulator
CN107484197A (zh) * 2017-05-23 2017-12-15 南京航空航天大学 任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置及方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112671489A (zh) * 2020-12-17 2021-04-16 重庆邮电大学 基于沃特森模型的短波航空移动信道建模方法
CN113259018A (zh) * 2021-05-21 2021-08-13 成都坤恒顺维科技股份有限公司 一种应用于无线信道仿真系统中的码多普勒仿真实现方法
CN113259018B (zh) * 2021-05-21 2022-04-15 成都坤恒顺维科技股份有限公司 一种应用于无线信道仿真系统中的码多普勒仿真实现方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111181659B (zh) 2021-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Punnoose et al. Efficient simulation of Ricean fading within a packet simulator
CN111181659B (zh) 基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法
CN103532644B (zh) 多径阴影复合衰落信道模拟装置及其工作方法
CN105471530B (zh) 一种基于基带等效信道模型的提高接收信号模拟准确度的方法
Tang et al. Analysis and simulation of Nakagami fading channel with MATLAB
CN110212955B (zh) 一种基于射线的3d mimo信道建模的方法
CN102447518A (zh) 一种用于临近空间高超声速条件下的信道综合处理方法
CN108418645A (zh) 一种非平稳移动通信信道建模及参数平滑演进方法
CN105099588B (zh) 航空通信系统干扰传播信道模拟装置及方法
CN114499724B (zh) 一种面向低轨卫星通信的空时频非平稳传输特性分析方法
CN112383370A (zh) 一种卫星时变信道的建模仿真方法及系统
WO2022151900A1 (zh) 一种基于神经网络的信道估计方法及通信装置
CN115567129A (zh) 一种数字孪生信道建模方法
CN116318341B (zh) 一种低轨卫星信道建模方法、硬件模拟装置及模拟方法
CN106603177A (zh) 一种信道衰落模型、信道信号的生成方法和模拟装置
CN113541825B (zh) 一种相控阵地面系统试验平台
Zheng et al. A modified s-band satellite channel simulation model
CN115276859B (zh) 一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法
CN106059685A (zh) 时间演进大规模mimo信道模拟装置及其模拟方法
CN115396054B (zh) 一种多径衰落信道模型的构建方法
CN117538854B (zh) 测距方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质
CN113890655B (zh) 基于数字地图的全射线信道模拟装置及数字孪生方法
CN111181672B (zh) 一种高铁无线信道建模方法
CN113965281B (zh) 一种基于端到端学习的空中计算系统设计方法
Feng et al. Real-Time Hardware Emulation of Frequency Non-stationary UWB Channels with Continuous Frequency Response

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant