CN111181659B - 基于5g的无线信道仿真器的多普勒效应实现方法 - Google Patents

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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 FDA0002835068030000011
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 FDA0002835068030000012
其中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 FDA0002835068030000013
其中，M为拟合插值倍数；
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数据，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 FDA0002835068030000014
其中，N为采样片段总数；
S4：将线性内插后的信道矩阵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 FDA0002835068030000015
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、俯仰角为θ的到达场辐射；和接收天线单元U在球面矢量方向上、水平角为φ的到达场辐射；
Ftx,u,θ和Ftx,u,φ：发射天线单元S在球面矢量方向上、俯仰角为θ的到达场辐射；和发射天线单元S在球面矢量方向上、水平角为φ的到达场辐射；
Kn,m：第n簇第m子径交叉极化功率比，
Figure FDA0002835068030000021
和
Figure FDA0002835068030000022
笛卡尔坐标系下的接收机和发射机球面单位矢量，
Figure FDA0002835068030000023
和
Figure FDA0002835068030000024
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线性内插的插值倍数为32。
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