CN112511199A - 一种低复杂度3d_mimo相关信道快速生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，利用垂直维度俯仰角和水平维度方位角的PAS模型产生一组空间上相关的衰落波形，每个衰落波形代表一条传输路径，并通过叠加获得最终的传输矩阵。这种改进型相关信道快速生成方法可以充分利用3D_MIMO中俯仰角以及方位角的角度功率谱函数，因而能够生成任意角度扩展的衰落波形，并且减少计算复杂度。本发明相比于传统三维衰落信道模型，能够在不影响模拟参数准确性的基础上，大幅减小软件或硬件计算的开销，便于提升诸如大规模MIMO阵列信道仿真仪器的实现效率，节约设计成本、功耗和仪器体积。

Description

一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法

技术领域

本发明涉及一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

三维(Three dimensional，3D)衰落信道模型是在传统二维衰落信道模型的基础上，通过加入垂直维度俯仰角得到的。三维衰落信道模型相较于传统的二维衰落信道模型，能够更加准确地反映实际传输环境，因而获得研究者们的广泛关注。虽然传统三维衰落信道建模方法十分丰富，但是计算复杂度也比较高，比如基于物理信道模型的建模方法；而在众多建模方法中，基于相关法的三维衰落信道建模法比较而言计算复杂度要低一些。

基于相关法的衰落信道建模的基本思想是：首先生成一组不相关的高斯随机过程，然后通过适当的矩阵运算将不同信道之间的相关性引入到该高斯过程中，从而产生衰落相关波形；MIMO(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)信道建模法中利用矩阵Kronecker积搭建的基于相关法的3D_MIMO链路级衰落信道仿真模型就是沿用这种思想。

但是，这种模拟方法计算复杂度仍然较高，其中对于给定的角度功率谱(PowerAzimuth Spectrum，PAS)，需要利用任意两个阵元间的相关性进行计算。例如，当PAS模型是指数衰减函数、到达角与天线阵列放置角度一致时这一特殊情况，可以根据贝塞尔函数的无穷级数表达式给出相关性表达，而对于其他到达角的情况，则需要更复杂的二重积分计算，并且到达角变化很快，需要经常计算相关系数，故而使得仿真效率变得低下。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，它是修正型Jakes模型模拟衰落信道方法的另一种扩展。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，包括如下步骤：

步骤1：选定传输环境类型以及通信方向；

步骤2：确定天线阵列结构；

步骤3：确定收发两端角度功率谱密度函数PAS模型；

步骤4：确定天线阵列响应矢量A；

步骤5：利用抽头延迟模型得到L条路径的所对应的混合信道传输系数矢量h_l(t)。

作为优选方案，所述传输环境类型包括：城市、郊区、乡村，所述通信方向包括：上行链路、下行链路。

作为优选方案，所述天线阵列结构包括阵列类型、天线数目、天线间距，天线阵列结构采用均匀线性天线阵列。

作为优选方案，所述PAS模型包括：高斯分布、拉普拉斯分布、VM分布。

作为优选方案，所述h_l(t)计算公式如下：

其中，α_k代表第k个散射体的收发两端角度功率谱密度函数，第k个散射体的天线阵列响应矢量A_k，K代表散射体的数量，M是线性阵列数目，d为阵元间距，λ表示电磁波波长，θ_k,l为第k个散射体的第l径的达波俯仰角，

为第k个散射体的第l径的达波方位角。

作为优选方案，

其中，ψ_k,l表示第l径中第k个散射体的初始相位，P(θ_k,l,σ_θk,l,μ_θk,l)表示垂直维度俯仰角PAS模型，其中，θ_k,l为第l径中第k个散射体的垂直维度俯仰角，

分别是第l径中第k个散射体的俯仰角均值和标准差；

表示水平维度PAS模型，

为第l径中第k个散射体的水平维度方位角，

分别是第l径中第k个散射体的方位角均值和标准差，v代表移动台的运动速度，c是光速，f是载频。

有益效果：本发明提供的一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，即利用垂直维度俯仰角和水平维度方位角的角度功率谱模型产生一组空间上相关的衰落波形，每个衰落波形代表一条传输路径，并通过叠加获得最终的传输矩阵。这种改进型相关信道快速生成方法可以充分利用3D_MIMO中俯仰角以及方位角的角度功率谱函数，因而能够生成任意角度扩展的衰落波形，并且减少计算复杂度。

相比于传统三维衰落信道模型，能够在不影响模拟参数准确性的基础上，大幅减小软件或硬件计算的开销，便于提升诸如大规模MIMO阵列信道仿真仪器的实现效率，节约设计成本、功耗和仪器体积。

附图说明

图1为3D环境均匀线性阵列接收信号相位差示意图。

图2为传统基于Kronecker积的3D_MIMO建模法和本专利所提改进型建模法在不同角谱分布下的信号空间相关性仿真对比图。

图3为传统基于Kronecker积的3D_MIMO建模法和本专利所提改进型建模法在不同角谱分布下的系统信道容量仿真对比图。

图4为改进型3D_MIMO相关信道快速生成方法原理实现框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，对于均匀线性天线阵列，见图1，为了便于分析，选定原点阵元为参考第1个天线阵元的放置位置，那么对于第m个天线阵元的相位差可表示为：

式中，

代表波数，λ表示电磁波波长，并且有

c指的是光速，f指的是载频。

分别指的是入射波于直角坐标系中垂直维度的俯仰角和水平维度的方位角，(x_m,y_m,z_m)表示的是第m个天线阵元的位置在空间三维坐标系中坐标；Δdm为水平入射波在第1个天线阵元和第m个天线阵元之间的传播路径距离差。

对于均匀线性阵列，假设传输环境中存在的散射体总个数为K，并且不论是从垂直维度还是水平维度来看，散射体均满足均匀圆形分布；且为进一步简化问题分析，不失一般性，假设天线阵放置于X-Y平面上的X轴上，以第1个天线阵元为参考原点，此时有y_m＝0,z_m＝0；则对于任一散射体n，归一化天线阵列响应矢量A可通过

表示为如下简略形式：

式中，M是线性阵列数目，d为阵元间距，θ指的是达波俯仰角，

指的是达波方位角，λ表示电磁波波长。

当传输环境中存在数目为L的多径传播时，混合矢量信道脉冲响应表示为：

式中，

指的是由公式(2)表示的天线阵列响应矢量，α_l(t)表示第l径复增益，τ_l代表第l径的时延，δ(τ)为冲激函数，L为路径数量。

至此，通过每个时延τ_l共计生成L个衰落波形，每个衰落波形中都对应着K个均匀分布的方位角和俯仰角，类似于修正Jakes模型，从而保证得到的多径信号满足特定的多普勒频移以及相关性。但是，每个角度所承载的能量取决于垂直维度和水平维度的PAS分布。PAS模型主要受空间参数影响：发射端空间参数包括水平离开角(Angle of Departure,AOD)、水平离开角角度扩展(Angle Spread of Departure,ASD)、垂直离开角(Zenith ofDeparture,ZOD)、垂直离开角角度扩展(Zenith Spread of Departure,ZSD)；接收端空间参数包括水平到达角(Angle of Arrival,AOA)、水平到达角角度扩展(Angle Spread ofArrival,ASA)、垂直到达角(Zenith of Arrival,ZOA)、垂直到达角角度扩展(ZenithSpread of Arrival,ZSD)。本发明将选择三种经典的PAS模型(Gauss分布、Laplace分布、VM分布)以生成空间相关信道。

针对公式(2)中的θ和

分别引入下标k和l以表达来自第k个散射体的第l径的达波俯仰角θ_k,l和达波方位角

则最终第l径所对应的混合信道传输系数矢量可以表示为：

式中α_k可由下式计算：

式中，ψ_k,l表示第l径中第k个散射体的初始相位。P(θ_k,l,σ_θk,l,μ_θk,l)表示垂直维度俯仰角PAS模型，其中，θ_k,l为第l径中第k个散射体的垂直维度俯仰角，μ_θk,l，σ_θk,l分别是第l径中第k个散射体的俯仰角均值和标准差。

表示水平维度PAS模型，

为第l径中第k个散射体的水平维度方位角，

分别是第l径中第k个散射体的方位角均值和标准差。v代表移动台的运动速度，α_k代表PAS模型。

如图4所示，以下为本发明所提低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法的主要建模步骤：

(1)选定传输环境类型(城市、郊区、乡村)以及通信方向(上行链路、下行链路)；

(2)确定天线阵列结构，包括阵列类型、天线数目、天线间距，本发明选择均匀线性天线阵列；

(3)确定收发两端角度功率谱密度函数PAS模型，主要有高斯分布、拉普拉斯分布以及VM分布等；

(4)根据公式(2)获得阵列响应矢量；

(5)利用抽头延迟模型得到L条路径的所对应的混合信道传输系数矢量(见公式(4))。

图2至图3分别给出了本发明所提的改进型相关法3D_MIMO衰落信道快速生成方法，与传统基于Kronecker积的相关法3D_MIMO衰落信道模型，在上述三种PAS模型下、接收信号相关性与信道容量方面的Matlab仿真比较曲线。仿真结果表明：该改进型3D_MIMO信道模型相比于传统基于Kronecker积算法的相关3D_MIMO信道模型，在空间相关性以及信道容量等性能方面差距较小，但前者计算复杂度远小于后者，下表1即为二者计算复杂度总结。

表1两种相关法建模计算复杂度对比分析

其中，L表示路径总数，K表示散射体个数，M、N分别表示收发天线数目；符号O(ο)表示运算的阶数，即与括号中的运算式成正比。

在实际应用中通过图4虚线方框中的数学步骤，可以直接一步生成体现空间相关性的天线阵列响应矩阵和复振幅，而不需如传统方法那样随角度功率谱采用复杂二重积分计算阵元间的相关性，再经与高斯随机过程信号进行Kronecker积得到衰落信号，从而令实时生成信道衰落的计算步骤大为减化、计算开销减少。

这种3D衰落信道建模算法可以软件无线电模块的方式，或者采用诸如DSP/FPGA等硬件加以实现生成射频信道数据流，用于在实验室中模拟实际3D衰落信道，对设计的移动终端的接收算法进行测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：选定传输环境类型以及通信方向；

步骤2：确定天线阵列结构；

步骤3：确定收发两端角度功率谱密度函数PAS模型；

步骤4：确定天线阵列响应矢量A；

步骤5：利用抽头延迟模型得到L条路径的所对应的混合信道传输系数矢量h_l(t)。

2.根据权利要求1所述的一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，其特征在于：所述传输环境类型包括：城市、郊区、乡村。

3.根据权利要求1所述的一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，其特征在于：所述通信方向包括：上行链路、下行链路。

4.根据权利要求1所述的一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，其特征在于：所述天线阵列结构包括阵列类型、天线数目、天线间距，天线阵列结构采用均匀线性天线阵列。

5.根据权利要求1所述的一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，其特征在于：所述PAS模型包括：高斯分布、拉普拉斯分布、VM分布。

6.根据权利要求1所述的一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，其特征在于：所述h_l(t)计算公式如下：

其中，α_k代表第k个散射体的收发两端角度功率谱密度函数，第k个散射体的天线阵列响应矢量A_k，K代表散射体的数量，M是线性阵列数目，d为阵元间距，λ表示电磁波波长，θ_k,l为第k个散射体的第l径的达波俯仰角，

为第k个散射体的第l径的达波方位角。

7.根据权利要求6所述的一种低复杂度3D_MIMO相关信道快速生成方法，其特征在于：所述

其中，ψ_k,l表示第l径中第k个散射体的初始相位，

表示垂直维度俯仰角PAS模型，其中，θ_k,l为第l径中第k个散射体的垂直维度俯仰角，

分别是第l径中第k个散射体的俯仰角均值和标准差；

表示水平维度PAS模型，

为第l径中第k个散射体的水平维度方位角，

分别是第l径中第k个散射体的方位角均值和标准差，v代表移动台的运动速度，c是光速，f是载频。

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