CN114024641B - 基于实测数据的太赫兹mimo信道建模方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于实测数据的太赫兹MIMO信道建模方法和系统，该方法包括：基于待测太赫兹频带的中心频率、预设的发射端与接收端之间的通信距离和接收端虚拟天线的数量计算光学系统的衍射极限分辨率，从而确定MIMO信道模型的发送端天线阵列中相邻发射天线之间以及接收端天线阵列中相邻接收天线之间的距离；利用单输入单输出信道测试设备分次测试发送端每一发射天线与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应，从而获得实测MIMO信道矩阵；基于实测MIMO信道矩阵得到MIMO信道的性能参数指标；基于MIMO信道矩阵计算信道冲击响应，信道冲击响应得到相邻信道的时频相关性；基于时频相关性得到信道路径损耗，基于信道路径损耗得到太赫兹信道的频率选择性结果。

Description

基于实测数据的太赫兹MIMO信道建模方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于实测数据的太赫兹MIMO信道建模方法和系统。

背景技术

继5G通信技术规模商用后，全球业界已经开展了对6G通信技术的研究，作为面向第六代移动通信网络服务的太赫兹频段(95GHz-3THz)的无线通信技术，已经成为学界研究的热点。

在无线移动通信中，所有信息都要通过无线信道来传播，电波的传播特征和无线信道建模，作为实现无线系统规划的唯一手段，是通信系统架构设计和新技术验证的重要基础和前提。但无线信道具有很大的随机性，难以准确分析，尤其对于太赫兹频段通信信道，高传输和反射损耗限制了传输距离，太赫兹波段更容易受到阻塞效应和氧气吸收的影响，因此在未来太赫兹通信实际应用中，将使用定向天线、MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)技术甚至大规模MIMO(Massive MIMO)技术来克服太赫兹频段的高路径损耗。此外，太赫兹波段的传播机制与低频有很大的不同，主要表现在散射和衍射现象上，如通过针对不同材料上太赫兹多重反射测试，证明由于高反射损耗，高阶路径很难被检测到，且实测表明，太赫兹频段的多径数量有限，散射传播在太赫兹信道中发挥重要作用，因此需要依靠更多的测试数据来支撑通信系统设计，而现有的太赫兹测试设备成本高昂且体积很大，单天线收发链路需要架设占地面积几平米的设备，在未来6G通信复杂的应用场景需求下，稀少且仅针对特定场景的实测数据增加了太赫兹MIMO信道建模的难度。

现有技术大多采用RS-GBSM(Regular-Shaped Geometry-Based StochasticModel，规则几何形状的非确定性模型)仿真的方法建模得到的太赫兹信道模型与信道分析，用规则模型对信道周围的散射体进行建模，通过仿真结果分析其特性。对RS-GBSM技术而言，其模型过于简化，且仿真结果多为端对端的信道研究，涉及MIMO的信道特性研究与建模缺乏实测数据支撑。

还有一种现有太赫兹信道模型是基于射线追踪(Ray Tracing)的确定性信道模型，该模型中射线追踪仿真模拟器往往经过信道实际测量的数据标定，对观察到的传播路径进行分类，并对每一类射线在在时域、频域和空间的关键信道参数进行建模。基于射线追踪的确定性信道模型非常复杂，不适合太赫兹通信系统设计，且仿真场景过于单一(如应用于室内固定布置或Kiosk式近距离通信系统)。

因此，在不具备太赫兹MIMO阵列天线或其他必需的硬件设备的现状下，如何提供一种实现简单且保证信道特性分析与建模的准确性的太赫兹MIMO信道建模方法和装置，是一个有待解决的技术问题。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种基于SISO(Single-Input Single-Output)实测数据的太赫兹MIMO信道建模方法和系统，以在不具备太赫兹MIMO阵列天线或其他必需的硬件设备的现状下，实现基于SISO实测数据的太赫兹MIMO信道系统性测量与建模，消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的一个方面提供了一种基于实测数据的太赫兹多输入多输出MIMO信道模型建模方法，该方法包括以下步骤：

基于待测太赫兹频带的中心频率、预设的发射端与接收端之间的通信距离和接收端虚拟天线的数量计算光学系统的衍射极限分辨率，基于计算的衍射极限分辨率确定MIMO信道模型的发送端天线阵列中相邻发射天线之间以及接收端天线阵列中相邻接收天线之间的距离，其中，所述发送端的天线阵列中包括N_T个发射天线，所述接收端的天线阵列中包括N_R个接收天线，其中，N_T和N_R为大于1的自然数且N_T≤N_R；

利用布置的单输入单输出信道测试设备分次测试发送端每一发射天线与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应；

基于测得的发送端每一阵列单元与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应获得实测MIMO信道矩阵；

基于获得的实测MIMO信道矩阵得到MIMO信道的性能参数指标，所述MIMO信道的性能参数指标至少包括信道容量；

基于所述MIMO信道矩阵计算信道冲击响应，基于计算的信道冲击响应得到相邻信道的时频相关性；

基于得到的时频相关性得到信道路径损耗，基于信道路径损耗得到太赫兹信道的频率选择性结果。

在本发明的一些实施例中，

所述基于待测太赫兹频带的中心频率、预设的发射端与接收端之间的通信距离和接收端虚拟天线的数量计算光学系统的衍射极限分辨率，包括：基于如下公式计算所述衍射极限分辨率：

其中，L为发射端与接收端之间的通信距离，λ为基于待测太赫兹频带的中心频率计算得到的波长，N_R为接收端虚拟天线的数量；

所述基于计算的衍射极限分辨率确定MIMO信道模型的发送端阵列单元之间的距离以及接收端阵列单元之间的距离，包括：将MIMO信道模型的发送端阵列单元之间的距离以及接收端阵列单元之间的距离确定为所述衍射极限分辨率的正整数倍，且所述发送端阵列单元之间的距离与所述接收端阵列单元之间的距离相等。

在本发明的一些实施例中，所述MIMO信道的性能参数指标包括：太赫兹MIMO通信系统的以下指标中的一个或多个指标：信道容量、误码率和吞吐量。

在本发明的一些实施例中，所述基于获得的实测MIMO信道矩阵得到MIMO信道的性能参数指标包括：从实测MIMO信道矩阵中减去噪声相关矩阵，获得估计的信道矩阵；基于估计的信道矩阵的秩，获得信道容量。

在本发明的一些实施例中，所述基于所述MIMO信道矩阵计算信道冲击响应，基于计算的信道冲击响应得到相邻信道的时频相关性，包括：利用快速傅里叶变换，将频域序列转换为时域序列；基于转换得到的时域序列得到时域信道矩阵；基于时域信道矩阵和频域信道矩阵获得所述时频相关性。

在本发明的一些实施例中，在利用布置的单输入单输出信道测试设备分次测试发送端每一发射天线与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应之前，所述方法还包括：

使用直通-反射-传输线校准方式、短路-开路-负载-直通校准方式、直通-反射-匹配校准方式或直通-开路-短路-匹配校准方式对单输入单输出信道测试设备进行校准。

本发明的另一方面提供了一种基于实测数据的太赫兹多输入多输出MIMO信道模型建模系统，该系统包括：矢量网络分析仪、发送端太赫兹扩频模块、单个发送天线、接收端太赫兹扩频模块、单个接收天线以及MIMO信道模型建模装置；

所述矢量网络分析仪包括射频源和本振模块，用于发出射频信号并为发送端太赫兹扩频模块和接收端太赫兹扩频模块提供公共局部振荡器信号，并接收来自所述发送端太赫兹扩频模块的要经由单个发送天线发送的信号以及来自所述接收端太赫兹扩频模块的经由单个接收天线接收的信号；

所述发送端太赫兹扩频模块用于对来自矢量网络分析仪的射频信号进行上变频，以在输出端产生太赫兹频段信号，并经由所述单个发送天线进行发送；

所述接收端太赫兹扩频模块用于对所述单个接收天线接收的信号下变频后反馈给所述矢量网络分析仪；

所述MIMO信道模型建模装置连接所述矢量网络分析仪，用于执行如权利要求1-6中任意一项所述的方法方步骤。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括：二维机电定位器，本装置含有两部二维机电定位器，分别用于移动发射天线单元和接收天线单元，所述二维机电定位器在水平面和垂直平面上移动。

在本发明的一些实施例中，所述系统经直通-反射-传输线校准方式、短路-开路-负载-直通校准方式、直通-反射-匹配校准方式和直通-开路-短路-匹配校准方式进行校准。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括本振模块，所述本振模块为上变频模块和下变频模块提供公共局部振荡器信号；所述矢量网络分析仪为四端口矢量网络分析仪。

本发明的基于实测数据的太赫兹MIMO信道建模方法和系统，能够简单、低成本且高准确性地进行太赫兹MIMO信道建模。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例中基于实测数据的太赫兹MIMO信道建模方法的流程示意图。

图2为均匀线形阵列MIMO系统示意图。

图3为本发明另一实施例中基于实测的太赫兹MIMO信道建模步骤示意图。

图4为本发明一实施例中太赫兹信道测试的硬件设置示意图。

图5为本发明一实施例中所测频带的信道频率相位响应曲线图。

图6为本发明一实施例中太赫兹信道的路径损耗结果图。

图7为本发明一实施例中太赫兹信道的时域信道冲激响应曲线图。

图8为本发明一实施例中均匀平面天线阵列示意图。

图9为本发明一实施例中均匀环形天线阵列示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

本发明解决了目前太赫兹MIMO信道实测缺乏太赫兹频段的天线阵列的问题，基于单发单收的信道测试数据，结合虚拟天线阵列技术，对太赫兹MIMO信道进行建模和特性分析。本发明将太赫兹实测、信道特性分析与建模结合在一起，建立了基于SISO测试设备、成本可控的具体通用流程框架，提高了信道的仿真效率。

在本发明实施例中，是利用SISO测试设备，通过在每次测量时按照要建模的MIMO系统中虚拟天线阵列的位置改变发送天线和或接收天线的位置并测量发射天线和接收天线之间的视距信道频率响应来获得实测MIMO信道矩阵，并基于获得的实测MIMO信道矩阵得到MIMO信道的性能参数指标，从而得到对MIMO信道的分析结果。

本发明要建立的MIMO信道模型的发射端和接收端均由天线阵列构成，发射端和接收端天线阵列中的天线单元均匀分布，在使用天线阵列中的天线子单元进行发射和接收波束成形后，每个天线子单元可以被解释为多输入多输出(MIMO)系统中的一个虚拟元素。由于波长较小，发射和接收端各自天线阵列的各天线之间的适度分离确保了每个虚拟发射元件在虚拟接收阵列中看到不同的响应。这就实现了空间复用：不同的虚拟发射元件可以发送不同的数据流，虚拟接收阵列的空间均衡器用于分离这些数据流。

图1为本发明一实施例中基于实测数据的太赫兹MIMO信道建模方法的流程示意图。如图1所示，该MIMO信道建模方法包括如下步骤：

步骤S110，基于待测太赫兹频带的中心频率、预设的发射端与接收端之间的通信距离和接收端虚拟天线的数量计算光学系统的衍射极限分辨率，基于计算的衍射极限分辨率确定MIMO信道模型的发送端天线阵列中相邻发射天线之间以及接收端天线阵列中相邻接收天线之间的距离。

如图2所示，发射机和接收机之间的距离为L，发送端的天线阵列中包括NT个发射天线，接收端的天线阵列中包括N_R个接收天线，其中，N_T和N_R为大于1的自然数且N_T≤N_R。当中心频率为f_c，光速c＝3*10⁸m/s，可知信号波长

则相邻接收单元之间的路径差为：

相位差为

其中D表示接收端天线阵列中相邻阵列单元的间距。在本发明实施例中，发送端天线阵列中相邻阵列单元的间距也设为D。在本发明实施例中，发射端和接收端的天线阵列可以是ULA均匀线状天线阵列和UPA均匀方形天线阵列，也可以是常用的UCA均匀圆形天线阵列，分别如图8和图9所示，且本发明不限于此，还可以是其他阵列形式。

图2中，具有N_R个子天线的接收天线阵列对发射端的天线单元T_x_1的响应为

对发射端天线单元T_x_2的响应为

代入相关性公式后，可得两个响应之间的相关性ρ为：

其中，

表示a1的共轭转置。当N_Rφ＝π时，相关性为零。将相位差φ代入上面的公式(1)即可得到光学系统的衍射极限分辨率

该式与瑞利准则一致，天线阵列中相邻阵列单元的间距D取d与d的整数倍均可消除交叉干扰，当N_T≤N_R时，无需空间均衡，瑞利准则间距也可以抑制来自发射端的空间互扰。因此，本发明实施例中，基于待测太赫兹频带的中心频率f_c、预设的发射端与接收端之间的通信距离L和接收端虚拟天线的数量N_R可计算光学系统的衍射极限分辨率，基于计算的衍射极限分辨率可确定MIMO信道模型的发送端天线阵列中相邻发射天线之间以及接收端天线阵列中相邻接收天线之间的距离D＝md(m＝1，2，3...，为正整数)。由此可基于D和L进行SISO(单输入单输出)信道测试设备的布置。

图4所示为本发明布置的SISO信道测试设备的硬件示意图，将在后面详细描述。

步骤S120，利用布置的单输入单输出信道测试设备分次测试发送端每一发射天线与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应(Channel Frequency Response，CFR)。

在本发明实施例中，可以先测量Tx_n与Rx_n之间的视距信道频率响应(n＝1，2，3，...，...，N_T)，更具体地，首先测量Tx_1与Rx_1之间的视距信道频率响应，然后通过移动SISO信道测试设备中发射天线和接收天线的位置到MIMO信道模型中Tx_2与Rx_2的位置来测量Tx_2与Rx_2之间的视距信道频率响应，并依次类推，测量后续Tx_n与Rx_n之间的视距信道频率响应，直至测量完Tx_N_T与Rx_N_T之间的视距信道频率响应，其中N_T为发射天线的总数。

然后，然后通过移动SISO信道测试设备中发射天线和接收天线的位置，依次测量Tx_n与Rx_i之间的视距信道频率响应(i＝1，2，3，...，...，N_R)。

测得的视距信道频率响应可作为各发射天线到各接收天线之间的复杂信道增益，这些视距信道频率响应为时域特征。

步骤S130，基于测得的发送端每一阵列单元与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应获得实测MIMO信道矩阵。

也即，基于测得的发送端每一阵列单元与接收端每一阵列单元之间的复杂信道增益获得实测MIMO信道矩阵。

假设该系统没有符号间干扰(天线单元间的波束指向性很强)，N_R×1的接收信号向量y可以表示为：

y＝Hx+n；

其中，x表示N_T×1的发射信号向量，n表示N_R×1的噪声向量(可假设为独立同分布的复白高斯噪声或加性白噪声)，H为N_T×N_R的信道矩阵，其元素h_pq表示从第p个发射天线到第q个接收天线的复杂信道增益。对于K个频率下的信道增益，可得到信道增益序列h_pq(k)，k∈{1，2，…，K}。

如果噪声向量比较小，可以直接忽略。在本发明另一实施例中，实测MIMO信道矩阵H减去噪声相关矩阵，获得估计的信道矩阵，也即：

其中，N为噪声向量组成的噪声相关矩阵。

步骤S140，基于获得的实测MIMO信道矩阵得到MIMO信道的性能参数指标。

MIMO信道的性能参数指标至少包括信道容量。

在本发明实施例中，可以基于实测MIMO信道矩阵得到估计的信道矩阵，然后基于估计的信道矩阵的秩，获得信道容量。基于MIMO信道矩阵可以得出信道容量C(单位为bits/s/Hz)如下：

其中，I是信道矩阵H_measure的奇异值数量(矩阵的秩)，i是H的第i个奇异值，N₀表示噪声的功率谱密度，λi表示信道增益h_pq取p＝1，q＝i时的信道增益，P_t是提供给第i个特征信道(即p＝1，q＝i)的功率分配，∑P_i≤P，P是总传输功率。

在本发明另一实施例中，也可以直接基于实测MIMO信道矩阵的秩，获得信道容量。

步骤S150，基于MIMO信道矩阵计算信道冲击响应，基于计算的信道冲击响应得到相邻信道的时频相关性。

更具体地，可以对视距信道频率响应进行逆傅里叶变换得到信道冲击响应(Channel Impulse Response，CIP)。

例如，可用逆傅里叶变换将实测所得的频域序列h_pq(k)转换为时域序列h′_pq(τ)。为了提高运算效率，可使用逆快速傅里叶变换(IFFT)，其中W_N表示旋转因子：

上式频率k和时延τ均从0开始，k∈{1，2，…，K}，τ∈{1，2，…，T}，K＝T。

可基于如下公式计算天线p到p’信道和天线q到q’信道之间的时频相关性，t₀表示测试的初始时刻，f表示起始频率，用Δf表示测试的频率间隔：

其中，H_pq表示天线p到天线q的信道矩阵，H_p′q′表示天线p’和天线q’的信道矩阵，Var[]表示求方差，取Δf＝0，则可根据时域信道矩阵计算时间相关性。

取τ＝0，则可根据频域信道矩阵计算频率相关性；

步骤S160，基于得到的时频相关性得到信道路径损耗，基于信道路径损耗得到太赫兹信道的频率选择性结果。

将得到的时域相关性数据用于信道频域特性分析，可得到信道路径损耗，进一步分析太赫兹信道的频率选择性，与仿真数据(如基于现有射线追踪的信道模型数据、基于GBSM的数据等)拟合得到可阴影效应的传输函数。

由于本步骤可以通过现有技术来实现，在此不再赘述。

基于如上的基于SISO实测数据的太赫兹MIMO信道模型建模，可以简单且低成本得进行MIMO信道模拟，并可获得高准确性的模拟结果。

作为一示例，针对实现太赫兹无线链路空口传输速率达到1Tbps的需要，本发明基于光学系统的衍射有限准则，计算出收发两端天线阵列的间距，建立平行信道(N_T＝N_R＝N)，提高通信系统的可靠性、传输速率和吞吐量，MIMO信道的实测结果可用于仿真，以评估太赫兹MIMO通信系统的工作性能，该示例的整体建模步骤如图3所示，包括如下步骤：

(1)基于所测频带的中心频率和通信距离L，通过计算光学系统的衍射极限分辨率

得到N发N收通信系统的阵列天线单元间距D＝md(m＝1，2，3...)。

(2)将该阵列天线单元间距D作为最佳信道隔离指标。

(3)基于确定的最佳信道隔离指标进行SISO测试环境布置，并进行接线与设备校准。

用于MIMO信道测量的SISO测试设备布置包括两大部分，即矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer，VNA)和太赫兹扩频模块(包括发送端太赫兹扩频模块和接收端太赫兹扩频模块)，此外，发送端太赫兹扩频模块可连接单个发送天线，接收端太赫兹扩频模块可连接单个接收天线，如图4所示。

VNA包括射频源和本振模块，射频源用于发出射频信号，本振模块用于为发送端太赫兹扩频模块的上变频器和接收端太赫兹扩频模块的下变频器模块提供公共局部振荡器信号以实现相位相干。VNA还接收来自发送端太赫兹扩频模块的要经由单个发送天线发送的信号以及来自接收端太赫兹扩频模块的经由单个接收天线接收的信号。

为了将系统的频率扩展到太赫兹波段，太赫兹扩频模块与VNA连接在一起，太赫兹扩频模块对VNA提供的射频信号进行上变频和下变频。VNA可采用四端口矢量网络分析仪，对于四端口矢量网络分析仪而言，无需外接本振模块。

发送端太赫兹扩频模块对射频信号进行上变频和混频后在输出端产生THz频段信号。Tx侧信号在通过无线信道时，会发生衰减和相位改变。Rx天线收到的信号在经接收端太赫兹扩频模块下变频后在接收端口处接收，作为反馈信号反馈给矢量网络分析仪。矢量网络分析仪根据反馈信号的信息和校准数据确定接收信号的变化，从而输出信道的频率响应，即散射参数(S参数)，作为测试界面输出的实际数据。

完成测试设备硬件设置后，进一步进行校准，可将校准件与扩频模块的波导直接互连进行校准。作为示例，可采用TRL(Through-Reflect-line，直通-反射-传输线)、SOLT(Short-Open-Load-Through，短路-开路-负载-直通)、TRM(Through-Reflect-Match，直通-反射-匹配)、OSM(Open-Short-Match，开路-短路-匹配校准方法)、TOM(Through-Open-Match，直通-开路-匹配校准方法)或TOSM(Through-Open-Short-Match，直通-开路-短路-匹配)校准方式)等匹配校准方法进行匹配校准。

(3)校准后，测量Tx_n与Rx_n之间的视距信道频率响应(CFR)，n∈{1，2，…，N}，此处表示N发N收的MIMO系统。

将太赫兹喇叭天线分别连接在发射机和接收机的输出口和输入口，在信号测量过程中，可用二维机电定位器来分别在水平和垂直平面上移动Tx和Rx天线。将天线调整到指定位置后，可测试CFR作为视距信道增益，从而得到实测信道矩阵，并保存测试数据。

以2发2收的无线通信系统为例，实测将测试4次数据(Tx1-Rx1，Tx1-Rx2，Tx2-Rx1，Tx2-Rx2)，天线从Tx1的位置开始，平行移动距离D后所得测试数据，即可看做Tx2天线输出的信号。

(4)基于测量得到的LOS CFR，进行逆傅里叶变换得到时域数据LOS CIR。

利用上述测试设备测量得到的Tx_p与Rx_q之间的视距信道增益h_pq与频率相关，是频率响应列向量/序列，对应K个频率下的信道增益，可表示为h_pq(k)，p∈{1，2，…，N}，q∈{1，2，…，N}，p≠q。

(5)基于LOS CIR可获得相邻信道的时间相关性。

由于可采用现有技术手段来基于LOS CIR获得时间相关性，在此不再赘述。

(6)进一步地，测量的LOS CFR，结合实际系统的跨信道干扰，可计算得到信道容量、误码率和吞吐量等性能参数指标。

在本发明实施例中，VNA测得的数据可进一步传送给MIMO信道模型建模装置(或称为太赫兹链路仿真平台)，在进行多载波调制系统的性能预测时，可结合实测所得的MIMO信道响应(信道矩阵H)，可在太赫兹链路仿真平台中设置产生伪随机二进制序列的发射器、信道分离网络和均衡器。均衡器的输出可用来绘制误码率等值线、眼图等来表征性能参数，用以评估该太赫兹MIMO通信系统的吞吐量等指标，为进一步的研究提供必要条件。

(7)进一步地，测量的LOS CFR，可直接用于信道频域特性分析，得到信道路径损耗，可分析太赫兹信道的频率选择性，与现有仿真数据(如基于射线追踪的信道模型数据、基于GBSM的数据)拟合可得到阴影效应的传输函数。

以242～252GHz频段2发2收的无线通信系统为例，经过处理，所得信道的频率相位响应如图5所示，路径损耗如图6所示，太赫兹信道的时域信道冲激响应如图7所示。与图5类似，实测过程中通过比较天线单元移动前后的频率相位响应，可以找到相位相差180°的位置点，此时移动距离与理论值D一致。由图6可以看出太赫兹信道的频率选择性特征。图7显示主径时延为2.95ns，与根据测试距离计算的理论时延基本一致。

如上所述的本发明使用SISO信道测试设备与太赫兹喇叭天线(具备定向性，半功率点波瓣宽度一般为8°～12°)，结合虚拟天线阵列理论，对太赫兹波段的多天线系统进行了建模，针对太赫兹测试成本极其高昂、太赫兹阵列天线匮乏的现状，提出了一种基于扩频模块的单发单收的太赫兹测试系统架构，利用实测数据对复杂的太赫兹MIMO信道进行建模，保证信道特性分析与建模的准确性，所得结论有助于太赫兹MIMO无线通信系统的设计。现有技术中针对太赫兹MIMO信道的建模技术多是基于仿真，本发明提供了应用实测数据的太赫兹MIMO信道的通用研究方案。

本发明一实施例中研究的太赫兹MIMO信道为太赫兹LOS MIMO信道，但本发明并不限于此。

与上述方法相应地，本发明还提供了一种基于实测数据的太赫兹MIMO信道建模系统，该系统包括：矢量网络分析仪、发送端太赫兹扩频模块、单个发送天线、接收端太赫兹扩频模块、单个接收天线以及MIMO信道模型建模装置；所述矢量网络分析仪包括射频源和本振模块，用于发出射频信号并为发送端太赫兹扩频模块和接收端太赫兹扩频模块提供公共局部振荡器信号，并接收来自所述发送端太赫兹扩频模块的要经由单个发送天线发送的信号以及来自所述接收端太赫兹扩频模块的经由单个接收天线接收的信号；所述发送端太赫兹扩频模块用于对来自矢量网络分析仪的射频信号进行上变频，以在输出端产生太赫兹频段信号，并经由所述单个发送天线进行发送；所述接收端太赫兹扩频模块用于对所述单个接收天线接收的信号下变频后反馈给所述矢量网络分析仪；所述MIMO信道模型建模装置连接所述矢量网络分析仪，用于执行如前所述的方法方步骤。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于实测数据的太赫兹多输入多输出MIMO信道模型建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

基于待测太赫兹频带的中心频率、预设的发射端与接收端之间的通信距离和接收端虚拟天线的数量计算光学系统的衍射极限分辨率，基于计算的衍射极限分辨率确定MIMO信道模型的发送端天线阵列中相邻发射天线之间以及接收端天线阵列中相邻接收天线之间的距离，其中，所述发送端的天线阵列中包括N_T个发射天线，所述接收端的天线阵列中包括N_R个接收天线，其中，N_T和N_R为大于1的自然数且N_T≤N_R；

利用布置的单输入单输出信道测试设备分次测试发送端每一发射天线与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应；

基于测得的发送端每一阵列单元与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应获得实测MIMO信道矩阵；

基于获得的实测MIMO信道矩阵得到MIMO信道的性能参数指标，所述MIMO信道的性能参数指标至少包括信道容量；

基于所述MIMO信道矩阵计算信道冲击响应，基于计算的信道冲击响应得到相邻信道的时频相关性；

基于得到的时频相关性得到信道路径损耗，基于信道路径损耗得到太赫兹信道的频率选择性结果；

所述视距信道频率响应与现有仿真数据拟合可得到阴影效应的传输函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述基于待测太赫兹频带的中心频率、预设的发射端与接收端之间的通信距离和接收端虚拟天线的数量计算光学系统的衍射极限分辨率，包括：基于如下公式计算所述衍射极限分辨率：

其中，L为发射端与接收端之间的通信距离，λ为基于待测太赫兹频带的中心频率计算得到的波长，N_R为接收端虚拟天线的数量；

所述基于计算的衍射极限分辨率确定MIMO信道模型的发送端阵列单元之间的距离以及接收端阵列单元之间的距离，包括：将MIMO信道模型的发送端阵列单元之间的距离以及接收端阵列单元之间的距离确定为所述衍射极限分辨率的正整数倍，且所述发送端阵列单元之间的距离与所述接收端阵列单元之间的距离相等。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MIMO信道的性能参数指标包括：太赫兹MIMO通信系统的以下指标中的一个或多个指标：信道容量、误码率和吞吐量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于获得的实测MIMO信道矩阵得到MIMO信道的性能参数指标包括：

从实测MIMO信道矩阵中减去噪声相关矩阵，获得估计的信道矩阵；

基于估计的信道矩阵的秩，获得信道容量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述MIMO信道矩阵计算信道冲击响应，基于计算的信道冲击响应得到相邻信道的时频相关性，包括：

利用快速傅里叶变换，将频域序列转换为时域序列；

基于转换得到的时域序列得到时域信道矩阵；

基于时域信道矩阵和频域信道矩阵获得所述时频相关性。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用布置的单输入单输出信道测试设备分次测试发送端每一发射天线与接收端每一阵列单元之间的视距信道频率响应之前，所述方法还包括：

使用直通-反射-传输线校准方式、短路-开路-负载-直通校准方式、直通-反射-匹配校准方式或直通-开路-短路-匹配校准方式对单输入单输出信道测试设备进行校准。

7.一种基于实测数据的太赫兹多输入多输出MIMO信道模型建模系统，其特征在于，该系统包括：矢量网络分析仪、发送端太赫兹扩频模块、单个发送天线、接收端太赫兹扩频模块、单个接收天线以及MIMO信道模型建模装置；

所述矢量网络分析仪包括射频源和本振模块，用于发出射频信号并为发送端太赫兹扩频模块和接收端太赫兹扩频模块提供公共局部振荡器信号，并接收来自所述发送端太赫兹扩频模块的要经由单个发送天线发送的信号以及来自所述接收端太赫兹扩频模块的经由单个接收天线接收的信号；

所述发送端太赫兹扩频模块用于对来自矢量网络分析仪的射频信号进行上变频，以在输出端产生太赫兹频段信号，并经由所述单个发送天线进行发送；

所述接收端太赫兹扩频模块用于对所述单个接收天线接收的信号下变频后反馈给所述矢量网络分析仪；

所述MIMO信道模型建模装置连接所述矢量网络分析仪，用于执行如权利要求1-6中任意一项所述的方法方步骤。

8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述系统还包括：二维机电定位器，本装置含有两部二维机电定位器，分别用于移动发射天线单元和接收天线单元，所述二维机电定位器在水平面和垂直平面上移动。

9.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述系统经直通-反射-传输线校准方式、短路-开路-负载-直通校准方式、直通-反射-匹配校准方式和直通-开路-短路-匹配校准方式进行校准。

10.根据权利要求7所述系统，其特征在于，还包括本振模块，所述本振模块为上变频模块和下变频模块提供公共局部振荡器信号；

所述矢量网络分析仪为四端口矢量网络分析仪。

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