CN112511200A - 一种模拟3d散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法 - Google Patents

一种模拟3d散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，基于经典Clark平面单环散射模型，通过将二维模型拓展为三维立体球面散射模型，同时引入符合实际传输环境的、综合考虑了Nakagami‑m小尺度衰落及天线阵元间电磁耦合效应等重要影响因子，设计了一种适用于耦合大规模MIMO系统的新型三维球面散射信道模型，完善了现有3GPP 3D‑MIMO系统信道建模内容，使之能够模拟和评估新一代紧凑型多天线传输系统的电波传输特性和系统性能。本发明能够最大程度上逼近考虑天线阵元间电磁耦合效应及小尺度衰落的多天线立体具封闭空间的传播环境特性，可为移动通信系统的软硬件设计、性能仿真与评估提供服务与参考。

Description

一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法
技术领域
本发明涉及一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
MIMO通信系统在其提出的初期，研究人员是通过假设多天线信号是在二维平面内传输、且天线之间的信号是衰落不相关(即独立同分布)的，并以此来分析多天线系统的最大传输速率或信道容量。但是，在实际传播环境中，天线阵元周围散射体的不丰富性、以及传播环境的复杂性，会导致信号之间呈现一定程度的空间相关性，也即它们之间并不能简单视为独立，这就导致经典MIMO理论研究所得系统容量与实际测量的信道容量之间存在不小的差距。
为此，有科技工作者研究了基于二维平面Clarke单环散射的衰落相关随机信道模型(见图1)，该模型的优点是：基于电磁波的传播特性，将接收机周围的散射体近似为均匀分布在以接收机为中心的圆周上，再结合收发天线的几何尺寸、发射点至接收机间的距离、以及圆环散射半径，就可以利用简单、直观的平面结构来数学建模信道的传输特征；不过其缺点也是比较明显的，即平面单环散射模型无法对存在垂直方向散射体的实际立体环境进行有效模拟，同时也没有考虑到具体的信道小尺度衰落情况。
近年来，随着4G/5G等新一代移动通信技术的成熟和逐渐商用，移动设备供应商为保证其系统底层设计的合理性，产品核心技术指标(比如小区系统容量、误码率、中断概率等)往往需要预先进行大量的实验室数值仿真来加以确认，这就需要合适的信道模型作理论支撑。在4G移动通信技术中已开始采用小天线数目的MIMO传输技术，而现如今的5G移动通信网络更是将大规模MIMO技术作为其核心技术之一，故而3D立体多天线传输信道的模拟就变得非常迫切而且重要。为此，3GPP标准化协议组织针对LTE(Long Term Evolution)系统出台了专用的3D信道模型TR36.873，不过对其稍加研究就会发现，该3D模型是通过人为设定天线阵波束的水平与垂直辐射角度、波束宽度等来提供所谓小区三维覆盖的，并没有也不可能直观地体现接收机周围散射体分布导致的接收天线上各信号之间的相关性这一重要信道参数指标。
就现实传输环境而言，比如房间、剧场、体育场馆、地铁站点等封闭空间，采用类似于经典二维Clarke圆环散射的、且又包含垂直方位散射体效应的诸如圆球或圆柱状三维立体散射模型应能更加适用于模拟实际电波的空间传播效应。事实上，2007年，Zajic在其论文“Influence of 3D Spatial Correlation on the Capacity of MIMO Mobile-to-Mobile Channels(IEEE Vehicular Technology Conference,2007)”中就已提出三维圆柱体散射模型以分析MIMO系统的信道容量；而同年，Gong也在其论文“The Effect ofAntenna Physics on Fading Correlation and the Capacity of MultielementAntenna Systems(IEEE Transactions on Vehicular Technology,2007,Vol.56,No.4)”中提出圆球散射模型来分析MIMO系统容量。不过这两篇论文的作者仅考虑3D空间散射环境的影响，忽视了大规模MIMO中基站侧(尤其是室内基站)和移动终端使用MIMO技术时，由于天线阵元装配空间尺寸受限而导致的接收天线间电磁耦合效应影响，以及散射环境小尺度衰落的影响，故而导致系统建模不够完善。
本发明综合考虑大规模MIMO系统天线阵元耦合效应与Nakagami-m小尺寸衰落等因素的影响，提出一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，具体而言，则是基于经典Clarke平面单环散射模型，通过将二维模型拓展为三维立体球面散射模型，同时引入符合实际传输环境的、综合考虑了Nakagami-m小尺度衰落及天线阵元间电磁耦合效应等重要影响因子，设计了一种适用于耦合大规模MIMO系统的新型三维球面散射信道模型，完善了现有3GPP 3D-MIMO系统信道建模标准，使之能够模拟和评估新一代紧凑型多天线传输系统的电波传输特性和系统性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，具体步骤如下：
步骤1：设定发射端天线阵列中点与接收端天线阵列中点间距离D、发射天线两端阵元间的间距δpq，接收天线两端阵元间的间距δml，以及散射体所组成的球的半径R的大小；
步骤2：生成水平方向[0,2π]范围内以及垂直方向[-π/2,π/2]范围内均匀分布的第i个散射体的立体角Ωi及其随机相位Φ(Ωi)；
步骤3：根据散射体的立体角Ωi，获取散射体与接收阵元Rm连线在水平面投影的水平方位夹角φm，由水平方位夹角φm得出散射体到发射天线中点距离rb；
步骤4：根据散射体的立体角Ωi，获取散射体与发射阵元Tp连线在水平投影的水平方位夹角φb，由球的半径R得出散射体到接收天线中点距离ro；
步骤5：根据散射体与发射阵元Tp、接收阵元Rm连线得出发射端与接收端信号到达角在垂直面上的仰角θb、θm；
步骤6：设定发、收两端天线阵列垂直方位角αpq、αml与发、收两端天线阵列水平方位角βpq、βml；
步骤7：根据发、收天线类型和距离D，采用电磁仿真软件获取远场辐射方向图fm(Ω)；设定方向性增益Gm；
步骤8：计算3D立体散射环境下综合考虑了耦合、小尺度衰落、以及空间相关性的复信道增益系数hmp，生成大规模紧耦合MIMO系统的三维球体散射和阵元间电磁耦合效应的信道传输矩阵H，H表达式如下：
Figure BDA0002769923250000031
其中，第m行、p列的元素hmp，1≤m≤M,1≤p≤N。
作为优选方案，复信道增益系数hmp计算公式如下：
Figure BDA0002769923250000032
其中，A表示入射波区域，K表示散射体的总数，β＝2π/λ代表波数，λ为载波频率，
Figure BDA0002769923250000033
代表delta函数，Ω为立体角(θ,φ)且有dΩ＝sinθdθdφ，θ是矢量与Z轴的夹角，φ是矢量投射在X-Y平面后与X轴的夹角，
Figure BDA0002769923250000034
分别表示散射体到发、收天线上空间点的距离，Φ(Ωi)表示第i个散射体Si(θ,φ)的随机相位，fm(Ω)表示远场辐射方向图，Gm表示方向性增益。
作为优选方案，
Figure BDA0002769923250000035
rb表示散射体S(θ,φ)与发射端天线中间点Opq的距离，ro表示散射体S(θ,φ)与接收端天线中间点Oml的距离，δpq表示发射端天线Tp、Tq之间的距离，δml表示接收端天线Rm、Rl之间的距离；Δ表示发射角度扩展，Θ为基站侧来波到达角。
作为优选方案，
Figure BDA0002769923250000041
作为优选方案，电磁仿真软件采用HFSS。
作为优选方案，方向性增益Gm服从小尺度Nakagami-m分布。
作为优选方案，所述天线类型包括：偶极子天线、贴片天线。
有益效果：本发明提供的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，能够最大程度上逼近考虑天线阵元间电磁耦合效应及小尺度衰落的相关多天线立体具封闭空间的传播环境特性，可为移动通信系统的软硬件设计、性能仿真与评估提供服务与参考。
附图说明
图1为经典二维平面基于Clarke单环散射的信道传输模型；
图2为拓展后的基于三维球面立体散射体的耦合衰落相关信道传输模型。
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。
一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，包括如下步骤：
结合信道增益的定义得出发射端天线Tp与接收端天线Rm之间的信道复增益可表示为：
Figure BDA0002769923250000042
式中，
Figure BDA0002769923250000043
表示天线Tp的入射源矢量，
Figure BDA0002769923250000044
表示天线Rm的接收电场矢量，Ω为立体角(θ,φ)且有dΩ＝sinθdθdφ；假设接收天线周围共有K个三维分布的散射体，则可以用Si(θ,φ),i＝1,...,K表示散射体的随机分布，其中θ是矢量与Z轴的夹角，φ是矢量投射在X-Y平面后与X轴的夹角。A表示入射波区域。
根据射线追踪法可得天线Tp的入射源矢量：
Figure BDA0002769923250000045
式中，β＝2π/λ代表波数，λ为载波频率；Φ(Ωk)表示第k个散射体Sk(θ,φ)的随机相位，且假设该随机相位在(-π,π)内均匀分布，而Ωi,(i＝1,2…k)表示第i个散射体的立体角；Dx→y表示空间点x与y之间的距离，S(Ωk)表示第k个散射体的空间点位置，p表示天线Tp所在空间点；
Figure BDA0002769923250000051
代表delta函数。
假设大规模MIMO系统采用平均功率分配，则天线Rm的接收电场表示为：
Figure BDA0002769923250000052
式中，Gm、fm(θ,φ)分别表示接收天线Rm的方向性增益和辐射方向图。不失一般性，假设该信道模型为分块衰落(block fading)，即信道相干时间大于信号的周期T，那么发送一个信号的过程中，信道的传输系数可粗略地认为保持不变。则公式(1)可修正为：
Figure BDA0002769923250000053
式中，hmp表示天线m和天线p之间的信道复增益，i表示第i个散射体，S(Ωi)第i个散射体的空间点位置，Tp代表发射端天线上的空间点，Rm代表接收端天线上的空间点，β＝2π/λ代表波数，λ为载波频率；Φ(Ωi)表示第i个散射体Si(θ,φ)的随机相位，且假设该随机相位在(-π,π)内均匀分布，而Ωi表示第i个散射体的立体角。
结合图2三维球面空间散射模型，可得散射体与天线阵元间的距离近似计算公式为：
Figure BDA0002769923250000054
上式中，rb表示散射体S(θ,φ)与发射端天线中间点Opq的距离，ro表示散射体S(θ,φ)与接收端天线中间点Oml的距离，显然有ro＝R，R为球半径；δpq则表示发射端天线/阵元Tp、Tq之间的距离，δml表示接收端阵元Rm、Rl之间的距离；Δ表示发射角度扩展，Θ为基站侧来波到达角，其计算公式如下：
Figure BDA0002769923250000061
公式(4)最终计算过程中所需各参数的物理意义归纳为下表1所示。
表1三维球面散射模型中相关参数定义
Figure BDA0002769923250000062
辐射方向图fm(Ω)＝fm(θ,φ)可以通过接收天线的辐射电场获得，其被定义为空间坐标的函数。本专利的一大特点是考虑了接收阵元间的电磁耦合效应，也即随着天线间距的缩短，阵元间耦合效应的变强，天线阵元的辐射方向图将会发生严重畸变，此畸变辐射方向图的具体数据可以通过电磁仿真软件HFSS根据天线的具体类型(比如是偶极子天线、贴片天线等)和阵元间距进行数值仿真获得。方向性增益Gm则服从小尺度Nakagami-m衰落。
对于N根发射天线与M根接收天线的大规模耦合MIMO系统而言，考虑上述三维球体散射和阵元间电磁耦合效应的信道传输矩阵H可以表示为：
Figure BDA0002769923250000063
其第m行、p列的元素hmp，1≤m≤M,1≤p≤N，即第p根发射天线和第m根接收天线之间的信道复增益由公式(4)至(6)计算获得。
本发明所提出的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，具体步骤如下：
(1)设定发射端天线阵列中点与接收端天线阵列中点间距离D、发射天线两端阵元间的间距δpq，接收天线两端阵元间的间距δml，以及散射体所组成的球的半径R的大小；
(2)生成水平方向[0,2π]范围内以及垂直方向[-π/2,π/2]范围内均匀分布的第i个散射体的立体角Ωi及其随机相位Φ(Ωi)；
(3)根据散射体的立体角Ωi，获取散射体与接收阵元Rm连线在水平面投影的水平方位夹角φm，由水平方位夹角φm得出散射体到发射天线中点距离rb；
(4)根据散射体的立体角Ωi，获取散射体与发射阵元Tp连线在水平投影的水平方位夹角φb，由球的半径R得出散射体到接收天线中点距离ro；
(5)根据散射体与发射阵元Tp、接收阵元Rm连线得出发射端与接收端信号到达角在垂直面上的仰角θb、θm；
(6)设定发、收两端天线阵列垂直方位角αpq、αml与发、收两端天线阵列水平方位角βpq、βml；
(7)根据具体天线类型和间距，采用电磁仿真软件HFSS获取考虑了阵元耦合效应的远场辐射方向图fm(Ω)；设定方向性增益Gm服从小尺度Nakagami-m分布；
(8)最后根据(4)式生成3D立体散射环境下综合考虑了耦合、小尺度衰落、以及空间相关性的复信道增益系数，并且由此得到整个大规模紧耦合MIMO系统的大规模紧耦合MIMO系统的三维球体散射和阵元间电磁耦合效应的信道传输矩阵(7)式。
本发明涉及一种综合考虑了天线阵元耦合、Nakagami小尺度衰落和空间相关性的MIMO系统3D散射环境空间耦合衰落相关信道的模拟方法，可以通过公式(4)至(7)式，特别是对于辐射方向图的模拟，是为了考虑了收发端天线间存在电磁耦合效应，以及因散射传输导致的复杂小尺度Nakagami衰落的信道模型，从而克服现有技术中没有考虑天线紧凑布阵时存在电磁耦合效应以及仅考虑简单Rayleigh衰落等小尺度衰落的缺陷。
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)

1.一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：设定发射端天线阵列中点与接收端天线阵列中点间距离D、发射天线两端阵元间的间距δpq，接收天线两端阵元间的间距δml，以及散射体所组成的球的半径R的大小；
步骤2：生成水平方向[0,2π]范围内以及垂直方向[-π/2,π/2]范围内均匀分布的第i个散射体的立体角Ωi及其随机相位Φ(Ωi)；
步骤3：根据散射体的立体角Ωi，获取散射体与接收阵元Rm连线在水平面投影的水平方位夹角φm，由水平方位夹角φm得出散射体到发射天线中点距离rb；
步骤4：根据散射体的立体角Ωi，获取散射体与发射阵元Tp连线在水平投影的水平方位夹角φb，由球的半径R得出散射体到接收天线中点距离ro；
步骤5：根据散射体与发射阵元Tp、接收阵元Rm连线得出发射端与接收端信号到达角在垂直面上的仰角θb、θm；
步骤6：设定发、收两端天线阵列垂直方位角αpq、αml与发、收两端天线阵列水平方位角βpq、βml；
步骤7：根据发、收天线类型和距离D，采用电磁仿真软件获取远场辐射方向图fm(Ω)；设定方向性增益Gm；
步骤8：计算3D立体散射环境下综合考虑了耦合、小尺度衰落、以及空间相关性的复信道增益系数hmp，生成大规模紧耦合MIMO系统的三维球体散射和阵元间电磁耦合效应的信道传输矩阵H，H表达式如下：
Figure FDA0002769923240000011
其中，第m行、p列的元素hmp，1≤m≤M,1≤p≤N。
2.根据权利要求1所述的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，其特征在于：复信道增益系数hmp计算公式如下：
Figure FDA0002769923240000021
其中，A表示入射波区域，K表示散射体的总数，β＝2π/λ代表波数，λ为载波频率，
Figure FDA0002769923240000022
代表delta函数，Ω为立体角(θ,φ)且有dΩ＝sinθdθdφ，θ是矢量与Z轴的夹角，φ是矢量投射在X-Y平面后与X轴的夹角，
Figure FDA0002769923240000023
分别表示散射体到发、收天线上空间点的距离，Φ(Ωi)表示第i个散射体Si(θ,φ)的随机相位，fm(Ω)表示远场辐射方向图，Gm表示方向性增益。
3.根据权利要求2所述的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，其特征在于：
Figure FDA0002769923240000024
rb表示散射体S(θ,φ)与发射端天线中间点Opq的距离，ro表示散射体S(θ,φ)与接收端天线中间点Oml的距离，δpq表示发射端天线Tp、Tq之间的距离，δml表示接收端天线Rm、Rl之间的距离；Δ表示发射角度扩展，Θ为基站侧来波到达角。
4.根据权利要求3所述的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，其特征在于：
Figure FDA0002769923240000025
5.根据权利要求1所述的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，其特征在于：所述电磁仿真软件采用HFSS。
6.根据权利要求1所述的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，其特征在于：所述方向性增益Gm服从小尺度Nakagami-m分布。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种模拟3D散射空间耦合衰落相关信道传播特性的方法，其特征在于：所述天线类型包括：偶极子天线、贴片天线。
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