CN116388893A

CN116388893A - 一种高精度电磁环境数字孪生方法及电子设备

Info

Publication number: CN116388893A
Application number: CN202310647219.XA
Authority: CN
Inventors: 李雷; 王志勤; 孙浩; 张翔; 陈凯; 徐菲; 魏贵明
Original assignee: China Academy of Information and Communications Technology CAICT
Current assignee: China Academy of Information and Communications Technology CAICT
Priority date: 2023-06-02
Filing date: 2023-06-02
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2043-06-02
Also published as: CN116388893B

Abstract

本申请公开了一种高精度电磁环境数字孪生方法及电子设备，解决电磁环境数字孪生精度和准确度低的问题。包括：对无线通信环境中的多径参量进行抓取；计算信道采集相位中心与通信设备相位中心的偏移矢量，并对多径参量进行修正；结合通信设备的三维复天线方向图，数字化计算每一条信号路径作用于通信设备每个接收天线上的电信号分量；并将多条信号路径上的数字化电信号分量进行加和，得到合成数字化电信号；进行准确性验证，比对合成数字化电信号与真实测量结果的一致性。实现了不同空间位置以及不同姿态下，在不同天线上的接收电信号的仿真与实测结果一致，从而达到高精度的数字孪生。

Description

一种高精度电磁环境数字孪生方法及电子设备

技术领域

本申请涉及无线通信系统技术领域，尤其涉及一种高精度电磁环境数字孪生方法及电子设备。

背景技术

随着5G在全球范围内的广泛部署，5G所能提供的增强移动宽带、超大规模物联网、超可靠低时延等技术能力，为万物互联和万物智联提供了一个坚实可靠的基础信息通信平台，促进了移动互联网与移动物联网技术的快速演进，进而推动了工业、交通、农业、矿业、医疗、环境等垂直行业的数字化转型，为全社会数字经济的蓬勃发展注入新的活力。

不同应用场景对无线通信系统的性能指标要求不同，比如远程医疗、自动驾驶、实时高清转播等，对于传输时延比较敏感；矿业井下操作、环境监测等对于通信连接的可靠性比较敏感等。5G等无线通信系统的真实空口性能表现，往往受限于不同的空口传播环境和通信系统自身的性能表现。如图1所示，电磁波在空口传输时存在直射、反射、衍射、透射、折射等物理现象，从而在收发机之间形成多径传输效应，造成了接收电信号的快速时变衰落，因此极大的影响了传输的可靠性。通信接收机包含天线模块、射频模块、基带模块等核心部件，涉及了繁多的模拟信号和数字信号处理流程，都对接收机的通信质量有决定性的作用。为了更好地适配各种复杂多样的无线通信环境，通信工程师往往会开展大量的工作，优化通信产品各个部件及整机的性能表现，以克服上述传播过程中的衰落影响，保证通信连接的实时性、可靠性和大容量。

一种有效的性能优化技术手段是在产品设计阶段通过数字仿真来验证通信产品的性能表现，并针对性提出优化方案。这种方法中首先会对电磁波的空间传播特性进行模拟和数学建模，然后在仿真平台中引入接收机数字化模型，例如天线数字模型、基带解码算法等，验证其性能表现。然而，如何实现高精度、高准确度的数字孪生，将物理世界和仿真世界严格对齐一直是产业界的痛点问题，也一直缺乏有效的技术方案。这里所谓的高精度是指真实世界中某个测量值与仿真世界测量结果偏差小于一个用户允许的阈值，在本申请中特指通信设备接受的电信号特征表现的偏差，包括电功率强度、电功率平衡度、电信号相关性等。采用通信设备自身接收的电信号特征作为评估指标，对于仿真准确性验证而言是比较严苛的，因为通信环境会因为多径信号的存在而十分复杂，而通信设备受限于其物理形态其天线方向图往往也十分不规则，因此采用这种联合的电磁效应指标将更加复杂，而这却恰恰是通信工程师十分关注的，因为它反映了通信设备最真实的接收信号特征。目前业界的仿真平台往往直接采用典型的数学模型计算衰落因子，而忽略了与真实世界结果的比对，缺少验证环境、操作规程以及准确的数学计算方法。这也是通信工程师对于数字孪生仿真方法心存芥蒂的根本原因。只有当仿真结果与真实世界测量结果具有明确的对应关系时，研发工程师才有十足的信心依赖于这种仿真手段。如何对真实世界各种复杂通信环境的电磁波多径传播特性进行数字化提取和建模，以及如何将不同空间位置的物理世界和仿真世界接收的电信号特性严格对齐，是一个亟待解决的产业工程难题，本申请方案的提出将极大促进数字孪生手段在产品设计阶段的应用水平和依赖程度，实现产品高效闭环优化。

发明内容

本申请提出一种高精度电磁环境数字孪生方法及电子设备，解决电磁环境数字孪生精度和准确度低的问题。

本申请实施例提供一种高精度电磁环境数字孪生方法，包括步骤：

对外场无线通信环境中的多径参量进行抓取，获取时延、三维方位、两个正交极化分量上的复增益；

计算信道采集相位中心与通信设备相位中心的偏移矢量，并对多径参量进行修正；

结合通信设备的三维复天线方向图，数字化计算每一条信号路径作用于通信设备每个接收天线上的电信号分量；基于时延和载波频率利用传播方程修正电信号相位属性；将多条信号路径上的数字化电信号分量进行加和，得到合成数字化电信号。

进一步地，抓取的多径参量包括每条信号路径的功率、相位、时延、方位角、俯仰角、水平极化复增益，垂直极化复增益。

进一步地，还包含步骤：进行准确性验证，比对合成数字化电信号与真实测量结果的一致性。

进一步地，所述偏移矢量为三维矢量偏差。三维矢量偏差结合每一条信号路径的三维空间传播方向，根据电磁传播方程对其两个正交极化的复增益进行修正，使得信道采集相位中心与通信设备相位中心等效重合。

进一步地，计算合成数字化电信号具体包含步骤：

基于来波信号的三维来波方向确定天线复增益；

结合外场采集的幅度和相位的正交极化上的信号复增益，根据传播方程联合计算该条路径上的电信号分量；

利用采集到的时延参量，结合系统配置的中心频率，计算相位补偿值，并修正电信号分量的相位属性；

对所有电信号分量进行求和，得到合成数字化电信号。

进一步优选地，合成化电信号特征包含电信号强度、电信号相关性、电信号不平衡度。

进一步优选地，所述数字化电信号用于通信性能分析。所述通信性能分析包含接收功率强度，传输速率。

进一步地，所述准确性验证是将通信设备以不同姿态置于不同空间位置，在不同天线上的合成化数字电信号与外场实测结果进行比对，响应偏差小于设定阈值，确定电磁环境数字孪生为高精度。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述的方法。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一实施例所述的方法。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实现了不同空间位置以及不同姿态下，在不同天线上的接收电信号的仿真与实测结果一致，从而达到高精度的数字孪生。通过本申请所述方法，可以开展高精度电磁仿真，在数字孪生平台直接获取到真实世界的电磁表现，在产品设计前期即可预知真实环境中的性能表现，从而极大提升产品优化效率，降低产品设计风险。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术电磁波空间传输特性说明图；

图2为本申请实施例一种高精度电磁环境数字孪生方法流程图；

图3为本申请实施例相位中心对齐示意图；

图4为本申请实施例接收电信号合成示意图；

图5为本申请实施例计算接收天线上的每条路径的电信号分量流程图；

图6为本申请实施例仿真与实测对比结果图；

图7是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图2为本申请实施例一种高精度电磁环境数字孪生方法流程图。

本申请实施例还提供一种高精度电磁环境数字孪生方法，包括步骤：

步骤101、对外场无线通信环境中的多径参量进行高精度抓取，获取时延、三维方位、两个正交极化分量上的复增益；

对无线通信环境中的多径参量进行高精度抓取，将抓取的多径参量集导入数字孪生仿真平台。对无线通信环境中的多径参量进行高精度抓取，采集参数包括时延、空间指向、两个正交极化上的复增益，这里所谓的高精度抓取是指采集参数与外场真值的偏差小于偏差门限，如时延偏差小于5ns，空间指向偏差小于1度，极化复增益的功率偏差小于1dB等；

进一步地，抓取的多径参量包括每条信号路径的时延、达到方位角，达到天顶角，两个正交极化方向上的复增益。

具体为，多径参量包含信号路径的功率、相位、时延、方位角、俯仰角、水平极化复增益，垂直极化复增益。

例如，假设存在在

条信号路径，第/>

条电磁信号的特征信息包括时延/>

、达到方位角/>

，达到天顶角/>

，水平极化幅度/>

、相位/>

、垂直极化幅度/>

、相位/>

等，表征为

，其中/>

。

再例如，对外场无线信道环境进行高精度采集，假设空间中存在2条信号径路，第1条电磁信号的特征信息为时延0ns、达到方位角0度，达到天顶角90度（对应

），水平极化幅度1、相位0度、垂直极化幅度1、相位30度（对应/>

）等，表征为/>

，第2条电磁信号的特征信息为时延0ns、达到方位角90度，达到天顶角90度，水平极化幅度0.5、相位90度、垂直极化幅度0.5、相位90度等，表征为/>

。系统中心频点为2.6GHz，波长/>

约为0.1154m，光速/>

为/>

m/s。

步骤102、计算信道采集相位中心与通信设备相位中心的偏移矢量，并对多径参量进行修正；

通过正交极化复增益修正偏移矢量，使信道采集相位中心与通信设备相对中心等效重合，实现对多径参量的修正。

所述信道采集相位中心为在外场无线信道采集时的相位参考点。对于形状规则的电磁信号采集设备，通常与其物理中心重合，对于不规则的电磁信号采集设备，通常为工程师指定参考点，并基于此计算电磁信号的功率和相位。

所述通信设备相位中心，是通信设备辐射场或反射场的相位中心，本申请引入通信设备相位中心是用于记录真实世界中其真实测量的电信号属性，便于后续与仿真结果对比，在开展实际测试时，需要同时记录其相位中心位置。

例如，计算信道采集相位中心与通信设备相位中心的偏移矢量，并对多径参量进行修正具体为：

图3为本申请实施例相位中心对齐示意图。

信道采集位置相位中心为

，接收机相位中心为/>

，位置偏差矢量为/>

，计算每一条路径的相位补偿值，如下

公式1

公式2

公式3

其中

为第/>

条信道路径的空间指向矢量，/>

为中心频点波长。

再例如，假定信道采集位置的相位中心为

，接收机相位中心

，即向x轴正向偏移1cm，则位置偏移矢量为/>

；则每条信号路径的相位补偿值，计算如下

图4为本申请实施例接收电信号合成示意图。

步骤103、结合通信设备的三维复天线方向图，数字化计算每一条信号路径作用于通信设备每个接收天线上的电信号分量；基于时延和载波频率利用传播方程修正电信号相位属性；将多条信号路径上的数字化电信号分量进行加和，得到合成数字化电信号。

计算合成数字化电信号首先是计算并修正每条路径上的电信号分量，然后将修正电信号求和得到合成数字化电信号。

进一步，合成化电信号特征包含电信号强度、电信号相关性、电信号不平衡度。

图5为本申请实施例计算接收天线上的每条路径的电信号分量流程图。

进一步地，计算合成数字化电信号具体包含步骤：

步骤1031、基于来波信号的三维来波方向确定天线复增益；

例如，第

条信号路径对应的计算结果为/>

和/>

，第/>

条信号路径在第/>

根接收天线上的电磁响应计算如下：

公式4

其中，

是向量转置函数，/>

是以自然常数e为底的指数函数；

步骤1032、结合外场采集的幅度和相位的正交极化上的信号复增益，根据传播方程联合计算该条路径上的电信号分量；

步骤1033、利用采集到的时延参量，结合系统配置的中心频率，计算相位补偿值，并修正电信号分量的相位属性；

例如，对第

条路径进行时延补偿，然后对/>

条路径进行累加，则第/>

根接收天线所有/>

条路径的总响应计算如下：

公式5

其中

是光速。

例如，对于第

根接收天线，第1条路径对应的水平极化和垂直极化的复增益表示为/>

和/>

，第2条路径对应的水平极化和垂直极化的增益表示为

和/>

，则在第/>

根接收天线第1条路径和第2条路径的电磁响应，分别计算如下：

其中

是光速。第/>

根接收天线所有/>

条路径的总响应计算如下：

步骤1034、对所有电信号分量进行求和，得到合成数字化电信号。

例如，计算合成数字化电信号具体为：对接收的电信号进行深一步的分析，计算第

根天线接收功率/>

、第/>

根和第/>

根天线接收电信号相关系数/>

等关键性能指标，第/>

根和第/>

根天线间不平衡度/>

等，计算方法分别如下：

公式6

公式7

公式8

图6为本申请实施例仿真与实测对比结果图。

以公式6结果为例，比对实验室与外场的偏差。如图6所示，是以电信号功率为指标，比对某款智能手机某根天线上接收电信号在真实世界与数字孪生仿真平台的测量结果偏差（按照最大值进行归一化，功率单位为dBm），可以看到红线所代表的仿真结果曲线与蓝线所代表的实测结果曲线基本重合，整体偏差小于3dB，最大偏差小于5dB，比3GPP标准定义的6dB功率测量偏差，还要小，可见实现了高精度电磁环境数字孪生的预期目标。

例如，对接收的电信号进行深一步的分析，计算天线接收功率

、相关系数等关键天线性能指标/>

，计算方法分别如公式6~8。

进一步地，还包含步骤：

步骤104、进行准确性验证，比对合成数字化电信号与真实测量结果的一致性。

对比不同天线上的合成化数字电信号与外场实测结果，相应偏差小于设定阈值，则为高精度的电磁环境数字孪生。

具体为，将通信设备在不同空间位置以及不同姿态下，在不同天线上的合成化数字电信号与外场实测结果进行比对，当偏差小于一定阈值时，则认为实现了高精度的电磁环境数字孪生，电信号特征包括但不限于电信号强度、电信号相关性、电信号不平衡度等。

进一步地，所述数字化电信号用于通信性能分析。所述通用性能分析包含接收功率强度，传输速率。

本发明提供了一种高精度电磁环境数字孪生方法，其原理是：首先，对无线通信环境中的多径参数进行高精度抓取，为了实现高精度数字孪生，所抓取的多径参数具体是指每一条信号路径的功率、相位、时延、方位角、俯仰角、水平极化复增益，垂直极化复增益；然后计算信道采集相位中心与通信设备相位中心的偏移矢量，并对多径参量进行偏移修正；根据信号路径三维来波方位、复增益，结合通信设备的三维复天线方向图，计算每一条信号路径作用于无线通信设备每根接收天线上的电信号分量，将多条信号路径的电信号分量进行复数加和，进而得到通信设备每根天线的合成数字化电信号，即完成了数字化映射过程；计算所得到的合成数字化电信号，进一步可以用于通信性能分析，如接收功率强度，传输速率等。

本方法可以实现不同空间位置以及不同姿态下，在不同天线上的接收电信号的仿真与实测结果一致，从而实现高精度的数字孪生。为了便于描述和理解，以某一个确定位置、某一种姿态、某一个天线上的电信号的计算为例进行具体说明，其基本原理可以直接拓展应用到更为复杂以及动态场景。

本申请清晰的呈现了一种高精度的高精度电磁环境数字孪生方法，可以实现在电信号级别上，物理世界和仿真世界的对齐，解决了产业界在高精度无线信道仿真领域的一个痛点难题。本申请理清了核心的电磁波描述参数，包括多径信号的时延、达到方位角，达到天顶角，两个正交极化上的复增益等；然后介绍了将电磁波相位中心和接收机相位中心对齐的切入点和处理技巧，以及综合电场的详细计算步骤和计算方法，最后给出了一种新颖的准确性比对指标，即利用通信设备自身测量的电信号属性比对仿真结果与实现结果，验证是否实现了高精度的预期目标。

需要说明的是，实施例1所提供方法的各步骤的执行主体均可以是同一设备，或者，该方法也由不同设备作为执行主体。比如，步骤101和步骤102的执行主体可以为设备1，步骤103的执行主体可以为设备2；又比如，步骤101的执行主体可以为设备1，步骤102和步骤103的执行主体可以为设备2；等等。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

因此，本申请还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请中任一实施例所述的方法。

进一步地，本申请还提出一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请任一实施例所述的方法。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM) 和/或非易失性内存等形式，如只读存储器 (ROM) 或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

图7是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

所显示的电子设备500仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。其包括：一个或多个处理器520；存储装置510，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器520运行，使得所述一个或多个处理器520实现本申请实施例所提供的高精度电磁环境数字孪生方法，该方法包括：

对无线通信环境中的多径参量进行高精度抓取；

结合通信设备的三维复天线方向图，数字化计算每一条信号路径作用于通信设备每个接收天线上的电信号分量；

将多条信号路径上的数字化电信号分量进行加和，得到合成数字化电信号。该电子设备500还包含输入装置530和输出装置540；电子设备中的处理器520、存储装置510、输入装置530和输出装置540可以通过总线或其他方式连接，图中以通过总线550连接为例。

存储装置510作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可运行程序以及模块单元，如本申请实施例中的云底高度的确定方法对应的程序指令。存储装置510可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储装置510可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储装置510可进一步包括相对于处理器520远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置530可用于接收输入的数字、字符信息或语音信息，以及产生与电子设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置540可包括显示屏、扬声器等电子设备。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，抓取的多径参量包括每条信号路径的功率、相位、时延、方位角、俯仰角、水平极化复增益，垂直极化复增益。

3.根据权利要求1所述高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，还包含步骤：

进行准确性验证，比对合成数字化电信号与真实测量结果的一致性。

4.根据权利要求1所述高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，所述偏移矢量为三维矢量偏差；

三维矢量偏差结合每一条信号路径的三维空间传播方向，根据电磁传播方程对其两个正交极化的复增益进行修正，使得信道采集相位中心与通信设备相位中心等效重合。

5.根据权利要求1所述高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，计算合成数字化电信号具体包含步骤：

基于来波信号的三维来波方向确定天线复增益；

对所有电信号分量进行求和，得到合成数字化电信号。

6.根据权利要求1所述高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，合成化电信号特征包含电信号强度、电信号相关性、电信号不平衡度。

7.根据权利要求1所述高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，所述数字化电信号用于通信性能分析；

所述通信性能分析包含接收功率强度，传输速率。

8.根据权利要求3所述高精度电磁环境数字孪生方法，其特征在于，所述准确性验证是将通信设备以不同姿态置于不同空间位置，在不同天线上的合成化数字电信号与外场实测结果进行比对，响应偏差小于设定阈值，确定电磁环境数字孪生为高精度。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。

10.一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。