CN115149987A - 一种多链路mimo无线信道相关性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法，包括：1)搭建信道测量系统和规划测量用例，计算多链路MIMO信道冲激响应；2)基于双极化SAGE参数估计算法，从获得的MIMO信道冲激响应中进行多径参数提取和MIMO信道冲激响应重构；3)根据重构的MIMO信道冲激响应计算每条链路的平均时延功率谱，并计算任意两条链路平均时延功率谱的线性相关系数；4)根据重构的MIMO信道冲激响应估计每条链路发送端和接收端的角度功率谱并计算任意两条链路角度功率谱的线性相关系数。本发明从时延功率谱和角度功率谱两个方面提出了多链路MIMO信道相关性计算方法，能够有效分析信道测量数据功率谱密度的相关性。

Description

一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法

技术领域

本发明属于无线通信信道测量与建模技术领域，尤其涉及一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法。

背景技术

随着无线技术的发展，频谱资源越来越稀缺，因此涌现出很多技术来提升数据传输速率。MIMO通信技术的优势是增加单一设备的数据传输速度，同时不占用额外的频谱资源。但在实际应用中，发射端和接收端的天线数不对等，会造成空间资源的浪费。多用户MIMO技术允许单个发射端同时和多个终端通信，充分利用空间资源，提升无线吞吐量，该技术主要用于蜂窝网络和Wi-Fi(wireless fidelity)网络。在多用户通信网络中，空间相近终端的信道将呈现较高的相关性，从而影响多用户性能的评估。

目前分析多用户相关性的方法主要是基于信道测量数据，研究不同链路之间大尺度参数和信道小尺度衰落矩阵的相关性，部分文献研究了信道相关矩阵共线性特性。从时延功率谱和角度功率谱等方面研究多链路相关性的工作几乎没有，但是时延、角度和功率等小尺度参数是信道建模至关重要的一部分，小尺度参数的相关性也应考虑进来，因此研究多链路信道时延功率谱和角度功率谱的相关性对于多链路无线信道建模十分必要。

发明内容

本发明目的在于提供一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法,以解决现有分析方法集中在大尺度参数和大尺度衰落相关性的不足的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法，包括以下步骤：

步骤S1、搭建信道测量系统和规划测量用例，计算多链路MIMO信道冲激响应；

步骤S2、基于已有的双极化SAGE参数估计算法，对步骤S1中获得的MIMO信道冲激响应进行多径参数提取和MIMO信道冲激响应重构；

步骤S3、根据重构的MIMO信道冲激响应计算每条链路的平均时延功率谱；

步骤S4、计算任意两条链路平均时延功率谱的线性相关系数；

步骤S5、根据重构的MIMO信道冲激响应估计每条链路的角度功率谱；

步骤S6、计算任意两条链路角度功率谱的线性相关系数。

进一步的，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S101、搭建信道测量系统，发射天线阵列单元个数为M_t，接收天线阵列单元个数为M_r，探测信号序列长度为M_f；

步骤S102、规划测试用例，其中发射端位置保持固定，接收端共有M_p个位置；

步骤S103、对信道探测系统进行直连校准，得到直连校准信号y_sys(τ)；

步骤S104、使用天线阵列得到无线接收信号y(τ)；

步骤S105、基于傅里叶变换FFT(·)和逆傅里叶变换IFFT(·)，计算MIMO信道冲激响应h(τ)，维度为M_t×M_r×M_f，表示为

式中H(f)为信道传输矩阵。

进一步的，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S201、在暗室中测量天线阵列在不同极化方向上的导向矢量，发射天线阵列不同极化的导向矢量表示为

p₁＝{1,2}表示两种极化方式，φ为方位角，θ为俯仰角；接收天线阵列不同极化的导向矢量表示为

p₂＝{1,2}表示两种极化；

步骤S202、基于已有的双极化SAGE参数估计算法，从MIMO信道冲激响应h(τ)中提取L条多径的参数，包括时延τ_l、方位离开角φ_l,AoD、方位到达角φ_l,AoA、俯仰离开角θ_l,AoD、俯仰到达角θ_l,AoA、复幅度

其中l＝1,2,…,L表示第l条多径，L是总的多径数目；

步骤S203、将步骤S202中L条多径的角度参数φ_l,AoD、φ_l,AoA、θ_l,AoD、θ_l,AoA从天线局部坐标系转换到全局坐标系，其中l＝1,2,…,L；

步骤S204、利用步骤S202中L条多径的参数，可以得到重构的MIMO信道冲激响应

其表达式为:

式中(·)^T表示对矩阵的转置，δ(·)表示冲激函数，τ表示时延。

进一步的，步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S301、将第i条链路的时延功率谱在天线维度平均，得到平均时延功率谱APDP_i，其表达式为

式中APDP_i是维度为M_f×1的向量，m表示第m个发射天线单元，n表示第n个接收天线单元，|·|表示对矩阵中的每个元素取绝对值。

进一步的，步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S401、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路平均时延功率谱的线性相关系数ρ_ij,PDP，其表达式为：

ρ_ij,PDP＝APDP_i ^TAPDP_j

步骤S402、基于步骤S401得到的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij,PDP，得到所有链路的平均时延功率谱相关系数矩阵ρ_PDP，其元素为ρ_ij,PDP。

进一步的，步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S501、基于已有的双极化Bartlett谱计算公式，估计第i条链路的离开角度功率谱PAP_i,t(φ,θ)，其表达式为：

式中tr(·)表示矩阵的迹，(·)^H表示矩阵的共轭转置，(·)^-1表示矩阵的逆，

为发射天线阵列的两种极化的导向矢量；

步骤S502、基于双极化Bartlett谱的计算公式，估计第i条链路的到达角度功率谱PAP_i,r(φ,θ)，其表达式为：

式中

为接收天线阵列的两种极化的导向矢量，(·)^*表示矩阵的共轭；

进一步的，步骤S6具体包括以下步骤：

步骤S601、将第i条链路和第j条链路的离开角度功率谱矩阵向量化，即vec(PAP_i,t(φ,θ))和vec(PAP_j,t(φ,θ))；

步骤S602、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路离开角度功率谱的线性相关系数ρ_ij,t，计算公式为：

ρ_ij，t＝(vec(PAP_i，t(φ，θ)))^Tvec(PAP_j，t(φ，θ))

步骤S603、基于S602中计算的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij,t，得到所有链路的离开角度功率谱相关系数矩阵ρ_t,PAP，其元素为ρ_ij,t；

步骤S604、将第i条链路和第j条链路的到达角度功率谱矩阵向量化，即vec(PAP_i,r(φ,θ))和vec(PAP_j,r(φ,θ))；

步骤S605、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路到达角度功率谱的线性相关系数ρ_ij,r，表达式为：

ρ_ij，r＝(vec(PAP_i，r(φ，θ)))^Tvec(PAP_j，r(φ，θ))

步骤S606、基于步骤S605中计算的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij,r，得到到达所有链路角度功率谱相关系数矩阵ρ_r,PAP，其元素为ρ_ij,r。

本发明的一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法，具有以下优点：本发明基于搭建的测量系统在规划的用例中获取实际多链路MIMO信道冲激响应，基于双极化SAGE参数估计算法提取多径参数，并对多径参数中的角度参数进行坐标系转换，重构MIMO信道冲激响应。基于重构的MIMO信道冲激响应，提出了不同链路平均时延功率谱和角度功率谱的相似性计算方法，对应步骤S3到步骤S6的内容。该方法适用于多种场景的信道测量数据分析和信道模型特性分析。

附图说明

图1为本发明的多链路MIMO无线信道相关性计算方法的流程示意图；

图2为本发明的规划的测量用例示意图；

图3(a)为本发明的发射天线阵列示意图；

图3(b)为本发明的接收天线阵列示意图；

图4为本发明的多链路MIMO信道平均时延功率谱相关系数结果分析图；

图5(a)为本发明的多链路MIMO信道离开角度功率谱相关系数结果分析图；

图5(b)为本发明的多链路MIMO信道到达角度功率谱相关系数结果分析图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤S1、搭建信道测量系统和规划测量用例，得到多链路MIMO信道冲激响应；

具体包括以下步骤：

步骤S101、搭建信道测量系统，发射天线阵列单元个数为M_t＝32，接收天线阵列单元个数为M_r＝64，探测信号序列长度为M_f＝1023。

步骤S102、规划测试用例，其中发射端位置保持固定，高度为2.9m，接收端共有M_p＝88个位置，高度为1.5m。

步骤S103、对信道探测系统进行直连校准，得到直连校准信号y_sys(τ)；

步骤S104、使用天线阵列得到无线接收信号y(τ)；

步骤S105、基于傅里叶变换FFT(·)和逆傅里叶变换IFFT(·)，计算MIMO信道冲激响应h(τ)，维度为M_t×M_r×M_f，表示为

式中H(f)为信道传输矩阵。

步骤S2、基于已有的双极化SAGE参数估计算法，对步骤S1中获得的MIMO信道冲激响应进行多径参数提取和MIMO信道冲激响应重构；

具体包括以下步骤：

步骤S201、在暗室中测量天线阵列在不同极化方向上的导向矢量，发射天线阵列不同极化的导向矢量表示为

p₁＝{1,2}表示两种极化方式，φ为方位角，θ为俯仰角。接收天线阵列不同极化的导向矢量表示为

p₂＝{1,2}表示两种极化；

步骤S202、基于已有的双极化SAGE参数估计算法，从MIMO信道冲激响应h(τ)中提取L条多径的参数，包括时延τ_l、方位离开角φ_l,AoD、方位到达角φ_l,AoA、俯仰离开角θ_l,AoD、俯仰到达角θ_l,AoA、复幅度

其中l＝1,2,…,L表示第l条多径，L是总的多径数目；

步骤S203、将步骤S202中L条多径的角度参数φ_l,AoD、φ_l,AoA、θ_l,AoD、θ_l,AoA(l＝1,2,…,L)从天线局部坐标系转换到全局坐标系；

步骤S204、利用步骤S202中L条多径的参数，可以得到重构的MIMO信道冲激响应

其表达式为:

式中(·)^T表示对矩阵的转置，δ(·)表示冲激函数，τ表示时延。

步骤S3、根据重构的MIMO信道冲激响应计算每条链路的平均时延功率谱；

具体包括以下步骤：

步骤S301、将第i条链路的时延功率谱在天线维度平均，得到平均时延功率谱APDP_i，其表达式为

式中APDP_i是维度为M_f×1的向量，m表示第m个发射天线单元，n表示第n个接收天线单元，|·|表示对矩阵中的每个元素取绝对值。

步骤S4、计算任意两条链路平均时延功率谱的线性相关系数；

具体包括以下步骤：

步骤S401、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路平均时延功率谱的线性相关系数ρ_ij,PDP，其表达式为：

ρ_ij,PDP＝APDP_i ^TAPDP_j

步骤S402、基于步骤S401得到的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij,PDP，可以得到所有链路的平均时延功率谱相关性矩阵ρ_PDP，其元素为ρ_ij,PDP，维度为M_p×M_p。所有测量位置中任意两条链路的时延功率谱相关性如图4所示。

步骤S5、根据重构的MIMO信道冲激响应估计每条链路的角度功率谱；

所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S501、基于已有的双极化Bartlett谱计算公式，估计第i条链路的离开角度功率谱PAP_i,t(φ,θ)，其表达式为：

式中tr(·)表示矩阵的迹，(·)^H表示矩阵的共轭转置，(·)^-1表示矩阵的逆，

为发射天线阵列的两种极化的导向矢量；

步骤S502、基于双极化Bartlett谱的计算公式，估计第i条链路的到达角度功率谱PAP_i,r(φ,θ)，其表达式为：

式中

为接收天线阵列的两种极化的导向矢量，(·)^*表示矩阵的共轭。

步骤S6、计算任意两条链路角度功率谱的线性相关系数。

步骤S601、将第i条链路和第j条链路的离开角度功率谱矩阵向量化，即vec(PAP_i,t(φ,θ))和vec(PAP_j,t(φ,θ))；

步骤S602、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路离开角度功率谱的线性相关系数ρ_ij,t，计算公式为：

ρ_ij，t＝(vec(PAP_i，t(φ，θ)))^Tvec(PAP_j，t(φ，θ))

步骤S603、基于S602中计算的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij,t，可以得到所有链路的离开角度功率谱相关性矩阵ρ_t,PAP，其元素为ρ_ij,t，维度为M_p×M_p；所有测量位置中任意两条链路的离开角度功率谱相关性如图5(a)所示；

步骤S604、将第i条链路和第j条链路的到达角度功率谱矩阵向量化，即vec(PAP_i,r(φ,θ))和vec(PAP_j,r(φ,θ))；

步骤S605、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路到达角度功率谱的线性相关系数ρ_ij,r，表达式为：

ρ_ij，i＝(vec(PAP_i，r(φ，θ)))^Tvec(PAP_j，r(φ，θ))

步骤S606、基于步骤S605中计算的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij,r，可以得到到达所有链路角度功率谱相关性矩阵ρ_r,PAP，其元素为ρ_ij,r，维度为M_p×M_p。所有测量位置中任意两条链路的到达角度功率谱相关性如图5(b)所示。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种多链路MIMO无线信道相关性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、搭建信道测量系统和规划测量用例，计算多链路MIMO信道冲激响应；

步骤S2、基于已有的双极化SAGE参数估计算法，对步骤S1中获得的MIMO信道冲激响应进行多径参数提取和MIMO信道冲激响应重构；

步骤S3、根据重构的MIMO信道冲激响应计算每条链路的平均时延功率谱；

步骤S4、计算任意两条链路平均时延功率谱的线性相关系数；

步骤S5、根据重构的MIMO信道冲激响应估计每条链路的角度功率谱；

步骤S6、计算任意两条链路角度功率谱的线性相关系数。

2.根据权利要求1所述的多链路MIMO无线信道相关性计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S101、搭建信道测量系统，发射天线阵列单元个数为M_t，接收天线阵列单元个数为M_r，探测信号序列长度为M_f；

步骤S102、规划测试用例，其中发射端位置保持固定，接收端共有M_p个位置；

步骤S103、对信道探测系统进行直连校准，得到直连校准信号y_sys(τ)；

步骤S104、使用天线阵列得到无线接收信号y(τ)；

步骤S105、基于傅里叶变换FFT(·)和逆傅里叶变换IFFT(·)，计算MIMO信道冲激响应h(τ)，维度为M_t×M_r×M_f，表示为

式中H(f)为信道传输矩阵。

3.根据权利要求2所述的多链路MIMO无线信道相关性计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S201、在暗室中测量天线阵列在不同极化方向上的导向矢量，发射天线阵列不同极化的导向矢量表示为

表示两种极化方式，φ为方位角，θ为俯仰角；接收天线阵列不同极化的导向矢量表示为

表示两种极化；

步骤S202、基于已有的双极化SAGE参数估计算法，从MIMO信道冲激响应h(τ)中提取L条多径的参数，包括时延τ_l、方位离开角φ_l，AoD、方位到达角φ_l，AoA、俯仰离开角θ_l，AoD、俯仰到达角θ_l，AoA、复幅度

其中l＝1，2，...，L表示第l条多径，L是总的多径数目；

步骤S203、将步骤S202中L条多径的角度参数φ_l，AoD、φ_l，AoA、θ_l，AoD、θ_l，AoA从天线局部坐标系转换到全局坐标系，其中l＝1，2，...，L；

步骤S204、利用步骤S202中L条多径的参数，可以得到重构的MIMO信道冲激响应

其表达式为：

式中(·)^T表示对矩阵的转置，δ(·)表示冲激函数，τ表示时延。

4.根据权利要求3所述的多链路MIMO无线信道相关性计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

将第i条链路的时延功率谱在天线维度平均，得到平均时延功率谱APDP_i，其表达式为

式中APDP_i是维度为M_f×1的向量，m表示第m个发射天线单元，n表示第n个接收天线单元，|·|表示对矩阵中的每个元素取绝对值。

5.根据权利要求4所述的多链路MIMO无线信道相关性计算方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S401、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路平均时延功率谱的线性相关系数ρ_ij，PDP，其表达式为：

ρ_ij，PDP＝APDP_i ^TAPDP_j

步骤S402、基于步骤S401得到的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij，PDP，得到所有链路的平均时延功率谱相关系数矩阵ρ_PDP，其元素为ρ_ij，PDP。

6.根据权利要求5所述的多链路MIMO无线信道相关性计算方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S501、基于已有的双极化Bartlett谱计算公式，估计第i条链路的离开角度功率谱PAP_i，t(φ，θ)，其表达式为：

式中tr(·)表示矩阵的迹，(·)^H表示矩阵的共轭转置，(·)^-1表示矩阵的逆，

为发射天线阵列的两种极化的导向矢量；

步骤S502、基于双极化Bartlett谱的计算公式，估计第i条链路的到达角度功率谱PAP_i，r(φ，θ)，其表达式为：

式中

为接收天线阵列的两种极化的导向矢量，(·)^*表示矩阵的共轭。

7.根据权利要求6所述的多链路MIMO无线信道相关性计算方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：

步骤S601、将第i条链路和第j条链路的离开角度功率谱矩阵向量化，即vec(PAP_i，t(φ，θ))和vec(PAP_j，t(φ，θ))；

步骤S602、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路离开角度功率谱的线性相关系数ρ_ij，t，计算公式为：

ρ_ij，t＝(vec(PAP_i，t(φ，θ)))^Tvec(PAP_j，t(φ，θ))

步骤S603、基于S602中计算的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij，t，得到所有链路的离开角度功率谱相关系数矩阵ρ_t，PAP，其元素为ρ_ij，t；

步骤S604、将第i条链路和第j条链路的到达角度功率谱矩阵向量化，即vec(PAP_i，r(φ，θ))和vec(PAP_j，r(φ，θ))；

步骤S605、计算规划的测量位置中第i条链路和第j条链路到达角度功率谱的线性相关系数ρ_ij，r，表达式为：

ρ_ij，r＝(vec(PAP_i，r(φ，θ)))^Tvec(PAP_j，r(φ，θ))

步骤S606、基于步骤S605中计算的任意两条链路的线性相关系数ρ_ij，r，得到到达所有链路角度功率谱相关系数矩阵ρ_r，PAP，其元素为ρ_ij，r。

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