CN111314001A - 一种基于几何的非平稳v2v mimo信道建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模方法,该方法包括下列顺序的步骤:建立V2V双环散射模型;根据V2V双环散射模型,建立V2V MIMO信道发射天线l到接收天线k之间的信道冲激响应;根据移动发射端、移动接收端和散射体之间的几何关系,推导电波到达角、离开角、多普勒相移、传播距离的时变信道参数。本发明建立的non‑WSS信道模型是对平稳双环模型的扩展,能够模拟V2V信道在时延域和空间域的非平稳性;散射体集中因子、角度均值、车辆移动速度以及天线阵列方向角等参数综合作用于信道统计特性和非平稳特性;丰富了V2V非平稳信道建模方法,信道的统计特性和非平稳性研究对V2V通信系统设计与评估具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及V2V非平稳信道建模技术领域,尤其是一种基于几何的非平稳V2VMIMO信道建模方法。
背景技术
有效描述通信环境特征和信号传输特性的V2V信道模型对于车联网无线通信系统优化和评估至关重要。而传统的固定到移动(Fixed-to-Mobile,F2M)蜂窝无线信道模型与V2V信道模型在应用场景中存在着严重的不同:一是V2V通信系统中收发两端的车辆都处于运动状态,二是V2V通信系统中的移动发射端天线高度相对F2M系统来说远远较低。因此传统的F2M蜂窝模型无法直接用来分析V2V通信系统移动发射端和移动接收端之间的信道传输特性。所以针对V2V通信系统,研究其适合的信道模型显得尤为必要。PATZOLD等人分别提出双环模型和椭圆模型,研究了在不同散射环境下的信道的空时相关性。对于特定场景如低车流密度的高速公路、城市隧道和高速铁路,许越、蒋育康等人建立了大规模多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)信道模型。然而,这些V2V信道模型均是在广义平稳(Wide-Sense Stationary,WSS)的信道假设基础上建立起来的,即假设信道的统计特性不随时间变化。然而大量的信道测量事实表明V2V信道的衰落分布、多普勒频移、时延谱和角度谱等均具有时变性,同时对典型5G高移动性通信场景下的无线信道研究表明[16-18],收发端和散射体的运动导致了信道的时间非平稳传输特性。因此,针对不同场景下V2V通信需要重新评估WSS信道假设的合理性,并开展非广义平稳(non-Wide Sense Stationary,non-WSS)V2V信道的建模工作。
目前对非平稳V2V信道建模的相关报道较少,江浩等人提出一种三维空间非平稳MIMO V2V莱斯衰落信道模型,研究了移动接收端运动而移动发射端相对静止时的信道统计特性。BORHANI等人针对单环散射环境,提出了一种非平稳SISO F2M几何随机瑞利衰落信道模型,GUTIERREZ-MENA等人采用一种non-WSS瑞利信道模型去刻画移动到移动(Mobile-to-Mobile,M2M)通信环境。上述模型假设散射体呈von Mises概率密度函数分布,从而使得到达角(Angle of Arrival,AOA)和离开角(Angle of Departure,AOD)是非时变的,然而在实际的V2V通信场景中,收发端的运动必将导致AOA和AOD随时间变化,因此有必要建立一种具有时变角度参数的新型V2V非平稳信道模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效模拟V2V信道的非平稳性,同时丰富了V2V非平稳信道建模方法,对V2V通信系统设计与评估具有参考价值的基于几何的非平稳V2VMIMO信道建模方法。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模方法,该方法包括下列顺序的步骤:
(1)建立V2V双环散射模型;
(2)根据V2V双环散射模型,建立V2V MIMO信道发射天线l到接收天线k之间的信道冲激响应;
(3)根据移动发射端、移动接收端和散射体之间的几何关系,推导电波到达角、离开角、多普勒相移、传播距离的时变信道参数。
所述步骤(1)中的V2V双环散射模型包含一个移动发射端OT和一个移动接收端OR,并且在移动发射端OT和移动接收端OR周围有M和N个独立的有效散射体,这些散射体随机分布在以移动发射端OT和移动接收端OR为中心的圆环上;在该V2V双环散射模型中,无线信号由移动发射端发出,分别历经移动发射端OT散射体和移动接收端OR散射体两次散射后,到达移动接收端OR。
所述步骤(2)中的V2V MIMO信道,生成的移动发射端OT第l根天线到移动接收端OR第k根天线之间的信道冲激响应hlk(t)为:
式中:M、N分别为移动发射端和移动接收端的局部散射体数目,θmn为随机初始相移,由平面波与散射体和相互作用产生,均匀分布在[-π,π)上,和 分别是由移动发射端、移动接收端的运动引起的时变多普勒相移;k0=2π/λ,λ是载波波长,是发射天线l到接收天线k的时变路径距离;l=1,2,…,MT;k=1,2,…,MR;m表示移动发射端局部的第m个散射体,n表示移动接收端局部的第n个散射体。
所述步骤(3)中多普勒相移的计算步骤为:
(4a)建立以移动发射端OT和移动接收端OR为散射体圆环中心的坐标系,移动发射端OT的散射体用表示,移动接收端OR散射体用表示;记录t0时刻移动发射端OT和移动接收端OR以及散射体的坐标,并计算出t0时刻的离开角和到达角
式中:atan2(y,x)表示四象限反正切函数,ym、xm表示散射体S(m)T在xOTy坐标系中的坐标,表示OT和OT’间距离,βT表示移动发射端的运动方位角,bn、an表示散射体S(n)R在aORb坐标系中坐标,表示OR和OR’间距离,βR表示移动接收端的运动方位角;
式中:分别表示Φ(m)T(t)和Φ(n)R(t)泰勒展开式的1阶导系数;Φ(m)T表示t0时刻经散射体S(m)T散射后形成的初始离开角,Φ(n)R表示t0时刻经散射体S(n)R散射后形成的初始离开角,vT、vR分别表示移动发射端和移动接收端的速度,RT、RR分别表示移动发射端散射体分布和移动接收端散射体分布的的圆环半径大小;
(4c)信道hlk(t)的时变多普勒相移为:
式中:fTmax=vT/λ表示移动发射端的最大多普勒频移、fRmax=vR/λ表示移动接收端的最大多普勒频移,λ是波长,vT、vR分别为移动发射端和移动接收端的速度,βT、βR分别为移动发射端和移动接收端的运动方向,t表示任意时刻,表示经散射体散射后形成的时变离开角,表示经散射体散射后形成的时变到达角,π取3.14;表示指向第m个发射平面波传播方向的波矢量,rT表示移动发射端的空间平移向量,表示指向第n个接收平面波传播方向的波矢量,rR表示移动接收端的空间平移向量,和表示由移动发射端和移动接收端的运动引起的时变多普勒相移。
所述步骤(3)中传播距离的具体计算步骤为:
其中,kl=0.5MT–l+0.5,δT表示移动发射端任意两根天线之间的距离,αT表示移动发射端天线阵列的其中,表示移动发射端散射体到OT’的距离,kl=0.5MT–l+0.5表示移动发射端的发射天线l到发射天线阵列中心的距离,MT为天线数目,l=1,2,…,MT为天线编号,δT表示移动发射端任意两根天线之间的距离,表示经散射体散射后形成的时变离开角,αT表示移动发射端天线阵列的方位角;方位角;
其中,D表示t0时刻移动发射端和移动接收端之间的距离,RR表示移动发射端散射体分布的圆环半径大小,RT表示移动接收端散射体分布的圆环半径大小;表示t0时刻与散射体散射后形成的初始离开角,表示t0与散射体散射后形成的初始到达角;
其中,表示移动接收端散射体到OR’的距离,kk=0.5MR–k+0.5表示移动接收端的接收天线k到接收天线阵列中心的距离,MR为天线数目,k=1,2,…,MR为天线编号,δR表示移动接收端任意两根天线之间的距离,表示经散射体散射后形成的时变到达角,αR表示移动接收端天线阵列的方位角;
由上述技术方案可知,本发明的有益效果为:第一,本发明建立的non-WSS信道模型是对平稳双环模型的扩展,能够模拟V2V信道在时延域和空间域的非平稳性;第二,散射体集中因子、角度均值、车辆移动速度以及天线阵列方向角等参数综合作用于信道统计特性和非平稳特性;第三,本发明丰富了V2V非平稳信道建模方法,信道的统计特性和非平稳性研究对V2V通信系统设计与评估具有实际应用价值。
附图说明
图1为本发明基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模及参数计算方法的流程图;
图2为V2V散射模型;
图3为非平稳双环MIMO V2V信道模型;
图4为V2V信道的空间互相关函数;
图5为V2V信道的时间自相关函数。
具体实施方式
如图1所示,一种基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模方法,该方法包括下列顺序的步骤:
(1)建立V2V双环散射模型;
(2)根据V2V双环散射模型,建立V2V MIMO信道发射天线l到接收天线k之间的信道冲激响应;
(3)根据移动发射端、移动接收端和散射体之间的几何关系,推导电波到达角、离开角、多普勒相移、传播距离的时变信道参数。
所述步骤(1)中的V2V双环散射模型包含一个移动发射端OT和一个移动接收端OR,并且在移动发射端OT和移动接收端OR周围有M和N个独立的有效散射体,这些散射体随机分布在以移动发射端OT和移动接收端OR为中心的圆环上;在该V2V双环散射模型中,无线信号由移动发射端发出,分别历经移动发射端OT散射体和移动接收端OR散射体两次散射后,到达移动接收端OR。
所述步骤(2)中的V2V MIMO信道,生成的移动发射端OT第l根天线到移动接收端OR第k根天线之间的信道冲激响应hlk(t)为:
式中:M、N分别为移动发射端和移动接收端的局部散射体数目,θmn为随机初始相移,由平面波与散射体和相互作用产生,均匀分布在[-π,π)上,和 分别是由移动发射端、移动接收端的运动引起的时变多普勒相移;k0=2π/λ,λ是载波波长,是发射天线l到接收天线k的时变路径距离;l=1,2,…,MT;k=1,2,…,MR;m表示移动发射端局部的第m个散射体,n表示移动接收端局部的第n个散射体。
所述步骤(3)中多普勒相移的计算步骤为:
(4a)建立以移动发射端OT和移动接收端OR为散射体圆环中心的坐标系,移动发射端OT的散射体用表示,移动接收端OR散射体用表示;记录t0时刻移动发射端OT和移动接收端OR以及散射体的坐标,并计算出t0时刻的离开角和到达角
式中:atan2(y,x)表示四象限反正切函数,ym、xm表示散射体S(m)T在xOTy坐标系中的坐标,表示OT和OT’间距离,βT表示移动发射端的运动方位角,bn、an表示散射体S(n)R在aORb坐标系中坐标,表示OR和OR’间距离,βR表示移动接收端的运动方位角;
式中:分别表示Φ(m)T(t)和Φ(n)R(t)泰勒展开式的1阶导系数;Φ(m)T表示t0时刻经散射体S(m)T散射后形成的初始离开角,Φ(n)R表示t0时刻经散射体S(n)R散射后形成的初始离开角,vT、vR分别表示移动发射端和移动接收端的速度,RT、RR分别表示移动发射端散射体分布和移动接收端散射体分布的的圆环半径大小;
(4c)信道hlk(t)的时变多普勒相移为:
式中:fTmax=vT/λ表示移动发射端的最大多普勒频移、fRmax=vR/λ表示移动接收端的最大多普勒频移,λ是波长,vT、vR分别为移动发射端和移动接收端的速度,βT、βR分别为移动发射端和移动接收端的运动方向,t表示任意时刻,表示经散射体散射后形成的时变离开角,表示经散射体散射后形成的时变到达角,π取3.14;表示指向第m个发射平面波传播方向的波矢量,rT表示移动发射端的空间平移向量,表示指向第n个接收平面波传播方向的波矢量,rR表示移动接收端的空间平移向量,和表示由移动发射端和移动接收端的运动引起的时变多普勒相移。
所述步骤(3)中传播距离的具体计算步骤为:
kl=0.5MT–l+0.5表示移动发射端的发射天线l到发射天线阵列中心的距离,MT为天线数目,l=1,2,…,MT为天线编号,δT表示移动发射端任意两根天线之间的距离,表示经散射体散射后形成的时变离开角,αT表示移动发射端天线阵列的方位角;方位角;
其中,D表示t0时刻移动发射端和移动接收端之间的距离,RR表示移动发射端散射体分布的圆环半径大小,RT表示移动接收端散射体分布的圆环半径大小;表示t0时刻与散射体散射后形成的初始离开角,表示t0与散射体散射后形成的初始到达角;
kk=0.5MR–k+0.5表示移动接收端的接收天线k到接收天线阵列中心的距离,MR为天线数目,k=1,2,…,MR为天线编号,δR表示移动接收端任意两根天线之间的距离,表示经散射体散射后形成的时变到达角,αR表示移动接收端天线阵列的方位角;
本发明采用von Mises概率密度函数刻画V2V通信场景中的有效散射体分布,vonMises分布定义为:
式中:π取3.14,μ∈[-π,π)是随机变量的平均值,I0(κ)是第一类0阶修正Bessel函数,参数κ(κ≥0)是集中因子,表征散射体分布在均值μ的紧密程度。当κ值越大,散射体越集合在均值μ附近,当κ值越小,散射体则越离散,当κ=0时,von Mises分布退化成均匀分布,散射体均匀分布在[-π,π)上。
同时利用MMEA来仿真t0时的离开角Φ(m)T和到达角Φ(n)R:
式中:M、N表示分布在移动发射端和移动接收端的有效散射体数目,m表示第m个散射体,n表示第n个散射体;Φ(m)T表示t0时刻经散射体S(m)T散射后形成的初始离开角,Φ(n)R表示t0时刻经散射体S(n)R散射后形成的初始离开角;分别表示发射端和接收端的散射体分布的概率密度函数,是随机变量。
以一个2*2均匀线性天线阵列为例(令MT=MR=2),所述信道h11(t)和h22(t)之间空间互相关函数定义为ρ11,22(δT,δR;t)=E{h11(t)h*22(t)};信道h11(t)的时间相关函数定义为R(τ;t)=E{h11(t+τ/2)h*11(t-τ/2)},其中E{}表示求期望,*表示取复数共轭。计算可得时变空间相关函数:
式中:M、N表示分布在移动发射端和移动接收端的有效散射体数目,m表示第m个散射体,n表示第n个散射体;E{}表示取期望平均;exp()表示自然对数的底数,取2.7182;j是虚数单位;π取3.14;λ表示载波波长;δT、δR分别表示移动发射端和移动接收端的天线阵列间距;αT、αR表示移动发射端和移动接收端的天线阵列方位角;Φ(m)T(t)表示经散射体S(m)T散射后形成的时变离开角,Φ(n)R(t)表示经散射体S(n)R散射后形成的时变到达角。
计算可得时变时间相关函数:
其中:
式中:τ为时延,t为任意时刻;M、N表示分布在移动发射端和移动接收端的有效散射体数目,m为第m个散射体,n为第n个散射体。E{}表示取期望平均;exp()表示自然对数的底数,取2.7182;j是虚数单位;π取3.14;λ表示载波波长;fT m(t±τ/2)表示时刻t±τ/2移动发射端的时变多普勒频移;fRn(t±τ/2)表示时刻t±τ/2移动接收端的时变多普勒频移;表示时刻t±τ/2散射体S(m)T到OT’的时变距离;表示时刻t±τ/2散射体S(n)R到OR’的时变距离。
应用实施例:本发明用于非平稳V2V MIMO信道建模及参数计算,为了验证非平稳V2V MIMO信道模型的有效性,本发明利用MMEA开发出相应的仿真模型,以分析信道的时变统计特性。仿真模型中假设散射体的数目为M=N=20,相关参数设置如下:fc=5.4GHz,fTmax=fRmax=100Hz,αT=αR=π/2,βT=βR=0,RT=RR=50m。移动端散射环境参数设置为:μT=π/6,κT=10,μR=2π/3,κR=10。
图2描述的是实际通信场景下V2V双环散射模型,该模型包含一个移动发射端OT和一个移动接收端OR,在以OT和OR为中心的圆环上分布有相互独立的局部散射体。此外,假设V2V通信系统的移动端设置有MT和MR根均匀线性全向天线,天线高度相对于车辆高度忽略不计。
图3是详细的非平稳双环MIMO V2V几何随机信道模型,AT(l)表示发射天线l(l=1,2,…,MT),AR(k)表示接收天线按k(k=1,2,…,MR)。移动发射端和移动接收端的天线阵列间距分别由δT和δR表示,天线阵列的方向角由αT和αR表示,运动速度用vT和vR表示,运动方向用βT和βR表示,初始时刻的距离为D。移动发射端的周围有M个局部散射体随机分布在以RT为半径的圆环上,第m个有效散射体用S(m)T表示;移动接收端的周围有N个局部散射体随机分布在以RR为半径的圆环上,第n个有效散射体用S(n)R表示。无线信号从移动发射端发出,经散射体S(m)T和S(n)R作用后到达接收端,初始时刻的离开角和到达角分别用Φ(m)T、Φ(n)R表示。
图4比较了在不同时刻利用本发明方法建立的非平稳MIMO V2V信道模型和传统平稳模型的发射端的空间相关函数的绝对值。从图中可以看出,非平稳MIMO V2V信道的空间相关性随时间的变化而变化,这表明建立的模型在空间域上能够模拟V2V信道的非平稳特性。
图5比较了在不同时刻利用本发明方法建立的非平稳MIMO V2V信道模型和传统平稳模型的发射端的时间相关函数的绝对值。与传统平稳信道不同的是,该MIMO V2V信道的时间相关性随时间的变化而变化,而传统平稳信道时间相关性仅仅与时延相关而与时间无关。这表明利用本发明方法建立的模型在时延域上能够对V2V信道的非平稳性建模。
综合所述,本发明扩展了V2V非平稳信道建模方法,所建立的V2V模型能够有效描述信道的非平稳性,信道的统计特性研究对V2V通信系统设计具有实际应用价值。
Claims (5)
1.一种基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模方法,其特征在于:该方法包括下列顺序的步骤:
(1)建立V2V双环散射模型;
(2)根据V2V双环散射模型,建立V2V MIMO信道发射天线l到接收天线k之间的信道冲激响应;
(3)根据移动发射端、移动接收端和散射体之间的几何关系,推导电波到达角、离开角、多普勒相移、传播距离的时变信道参数。
2.根据权利要求1所述的基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模方法,其特征在于:所述步骤(1)中的V2V双环散射模型包含一个移动发射端OT和一个移动接收端OR,并且在移动发射端OT和移动接收端OR周围有M和N个独立的有效散射体,这些散射体随机分布在以移动发射端OT和移动接收端OR为中心的圆环上;在该V2V双环散射模型中,无线信号由移动发射端发出,分别历经移动发射端OT散射体和移动接收端OR散射体两次散射后,到达移动接收端OR。
4.根据权利要求1所述的基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模方法,其特征在于:所述步骤(3)中多普勒相移的计算步骤为:
(4a)建立以移动发射端OT和移动接收端OR为散射体圆环中心的坐标系,移动发射端OT的散射体用表示,移动接收端OR散射体用表示;记录t0时刻移动发射端OT和移动接收端OR以及散射体的坐标,并计算出t0时刻的离开角和到达角AOA
式中:atan2(y,x)表示四象限反正切函数,ym、xm表示散射体S(m)T在xOTy坐标系中的坐标,表示OT和OT’间距离,βT表示移动发射端的运动方位角,bn、an表示散射体S(n)R在aORb坐标系中坐标,表示OR和OR’间距离,βR表示移动接收端的运动方位角;
式中:分别表示Φ(m)T(t)和Φ(n)R(t)泰勒展开式的1阶导系数;Φ(m)T表示t0时刻经散射体S(m)T散射后形成的初始离开角,Φ(n)R表示t0时刻经散射体S(n)R散射后形成的初始离开角,vT、vR分别表示移动发射端和移动接收端的速度,RT、RR分别表示移动发射端散射体分布和移动接收端散射体分布的的圆环半径大小;
(4c)信道hlk(t)的时变多普勒相移为:
5.根据权利要求1所述的基于几何的非平稳V2V MIMO信道建模方法,其特征在于:所述步骤(3)中传播距离的具体计算步骤为:
其中,kl=0.5MT–l+0.5,δT表示移动发射端任意两根天线之间的距离,αT表示移动发射端天线阵列的其中,表示移动发射端散射体到OT’的距离,kl=0.5MT–l+0.5表示移动发射端的发射天线l到发射天线阵列中心的距离,MT为天线数目,l=1,2,…,MT为天线编号,δT表示移动发射端任意两根天线之间的距离,表示经散射体散射后形成的时变离开角,αT表示移动发射端天线阵列的方位角;方位角;
其中,D表示t0时刻移动发射端和移动接收端之间的距离,RR表示移动发射端散射体分布的圆环半径大小,RT表示移动接收端散射体分布的圆环半径大小;表示t0时刻与散射体散射后形成的初始离开角,表示t0与散射体散射后形成的初始到达角;
其中,表示移动接收端散射体到OR’的距离,kk=0.5MR–k+0.5表示移动接收端的接收天线k到接收天线阵列中心的距离,MR为天线数目,k=1,2,…,MR为天线编号,δR表示移动接收端任意两根天线之间的距离,表示经散射体散射后形成的时变到达角,αR表示移动接收端天线阵列的方位角;
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