CN117439688A - 立体交通通信信道的建模方法、装置、电子设备以及介质 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种立体交通通信信道的建模方法、装置、电子设备以及介质，其方法包括：构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定MIMO信道模型的信道模型参数；其中，信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；基于信道模型参数确定发射端和AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定AIRS和接收端之间的第二子信道的信道矩阵；基于第一子信道的信道矩阵和第二子信道的信道矩阵，确定MIMO信道模型的信道矩阵。本公开可以实现对立体交通通信信道的建模，并且计算出立体交通通信信道模型的信道矩阵，从而对立体交通通信进行分析和优化改进。
Description
技术领域
本公开涉及无线通信技术领域，尤其涉及立体交通通信信道的建模方法、装置、电子设备以及介质。
背景技术
V2V通信是智能交通系统(ITS,Intelligent Traffic System)和5G车联网技术中通信保障的关键技术。车载无线信道是支持无线数据有效传输的重要组成部分。由于车辆的高速移动性，车载通信需要可靠高效的无线链路来保证实时数据的稳定性和准确性。智能反射面(IRS，Intelligent Reflecting Surface)作为6G系统中一种很有前途的技术方案，目前IRS的研究主要考虑发射信号的相移来提高性能，因此IRS不需要额外的发射功率，结构简单，易于部署，可以部署在建筑物外墙，广告牌，天花板等地方，是一种节能的技术。为进一步提升IRS的服务范围，充分利用三维空间，可将IRS部署在无人机(UAV,UnmannedAerial Vehicle)上，构成空中智能反射面(AIRS，Aerial Intelligent ReflectingSurface)，使信号的覆盖范围更广，可以更好的提高通信质量。随着现代交通的发展，出现了各种新型的路网结构，其中高架桥是一种非常普遍的情况。目前许多大城市也修建了越来越多的带高架桥的城市环城高速公路。在现实交通条件下，高架桥通常由上、下、匝道三大部分组成。在一些城市地区，修建高架桥的时候同时会在其上修建隔音墙。高架桥的特殊结构以及匝道和隔音墙的存在会在V2V传播过程中形成非直射径区域，对V2V无线信道产生明显的影响。
相关技术中，只考虑到两条平行的道路上的V2V通信，没有考虑到如城市立交这种特殊立体交通道路上的V2V通信，且没有考虑场景中收发端和AIRS的移动；且相关技术主要研究基站到车之间的通信，没有考虑到发送端和接收端同时具有移动性的V2V通信。
发明内容
本公开提供了一种立体交通通信信道的建模方法、装置、电子设备以及介质。
根据本公开的第一方面，提供了一种立体交通通信信道的建模方法，所述方法包括：
构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定所述MIMO信道模型的信道模型参数；其中，所述信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；
基于所述信道模型参数确定所述发射端和所述AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定所述AIRS和所述接收端之间的第二子信道的信道矩阵；
基于所述第一子信道的信道矩阵和所述第二子信道的信道矩阵，确定所述MIMO信道模型的信道矩阵。
进一步地，所述基于所述信道模型参数确定所述发射端和所述AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定所述AIRS和所述接收端之间的第二子信道的信道矩阵，包括：
基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述发射端的各个天线和所述AIRS的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的信道矩阵；
基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述AIRS的各个天线和所述接收端的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第二子信道的信道矩阵。
进一步地，所述基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述发射端的各个天线和所述AIRS的各个反射单元之间信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的信道矩阵，包括：
基于所述信道模型参数，确定针对第一抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第一矩阵；其中，所述第一抽头为第一个抽头；
基于所述信道模型参数，确定针对第二抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第二矩阵；所述第二抽头为除所述第一个抽头之外的其他抽头。
进一步地，所述基于所述信道模型参数，确定针对第一抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第一矩阵，包括：
基于公式确定所述第一矩阵；
其中，所述表示针对所述第一抽头的LoS分量的径的信道冲击响应函数，表示针对所述第一抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，h1,pr(t)表示针对所述第一抽头，所述发射端的第p个天线和所述AIRS的第r个反射单元之间的第一信道冲击响应函数，所述/>和所述/>为基于所述信道模型参数确定。
进一步地，所述基于所述信道模型参数，确定针对第二抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第二矩阵，包括：
基于公式确定所述第二矩阵；
其中，所述表示针对所述第二抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，hl,pr(t)表示针对所述第二抽头，所述发射端的第p个天线和所述AIRS的第r个反射单元之间的第二信道冲击响应函数，所述/>为基于所述信道模型参数确定。
进一步地，所述散射体的位置信息包括散射体的方位角和散射体的仰角；
所述散射体的方位角通过公式确定；
所述散射体的仰角通过公式确定；
其中，κ表示环境因子，μ∈[-π,π]，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，βmax为/>的最大值，/>表示所述散射体相对于发射端的方位角，/>表示所述散射体相对于发射端的仰角，μ表示Von Mises分布的均值。
进一步地，所述基于所述第一子信道的信道矩阵和所述第二子信道的信道矩阵，确定所述MIMO信道模型的模型函数，包括：
通过公式Hp×q(t,τ)＝Hpr(t,τ)×Φ×Hrq(t,τ)确定所述模型函数；
其中，Hpr(t,τ)表示所述第一子信道的信道矩阵，Hrq(t,τ)表示所述第二子信道的信道矩阵，Φ表示智能反射面IRS反射系数矩阵，diag(·)表示对角矩阵，/>表示第r个IRS单元所调整的相位，所述IRS的控制器采用恒定的相位配置，或者采用随时间和信道环境变化的相位配置，或者采用离散化的时变相位配置。
进一步地，所述方法还包括：
通过公式计算所述MIMO信道模型的空时自相关函数；
其中，ρl,pr,p′r(t,δT,τ)表示第一子信道的空时自相关函数；ρl,rq,rq′(t,δR,τ)表示第二子信道的空时自相关函数。
根据本公开的第二方面，提供了一种立体交通通信信道的建模装置，所述装置包括：
构建模块，用于构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定所述MIMO信道模型的信道模型参数；其中，所述信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；
第一确定模块，用于基于所述信道模型参数确定所述发射端和所述AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定所述AIRS和所述接收端之间的第二子信道的信道矩阵；
第二确定模块，用于基于所述第一子信道的信道矩阵和所述第二子信道的信道矩阵，确定所述MIMO信道模型的信道矩阵。
根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括：存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如以上所述的方法。
根据本公开的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本公开的上述方法。
本公开实施例提供的立体交通通信信道的建模方法、装置、电子设备以及介质，通过构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定MIMO信道模型的信道模型参数；其中，信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；基于信道模型参数确定发射端和AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定AIRS和接收端之间的第二子信道的信道矩阵；基于第一子信道的信道矩阵和第二子信道的信道矩阵，确定MIMO信道模型的信道矩阵。由此，本公开可以实现对立体交通通信信道的建模，并且可以计算出立体交通通信场景的MIMO信道模型的信道矩阵。在需要确定该场景下发射端发出的通信信号的接收强度时，可以通过对立体交通通信场景的MIMO信道模型进行仿真，从而对立体交通通信场景下信号的传输进行分析预测和优化改进。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1为本公开一示例性实施例提供的立体交通通信信道的建模方法的流程图；
图2为本公开一示例性实施例提供的整体信道模型示意图；
图3为本公开一示例性实施例提供的第一子信道Tx-AIRS的模型示意图；
图4为本公开一示例性实施例提供的第一子信道Tx-AIRS的模型俯视示意图；
图5为本公开一示例性实施例提供的不同相位设计方案和起始时刻对信道时间相关性的影响；
图6为本公开一示例性实施例提供的不同相位设计方案和AIRS移动速度对信道时间相关性的影响；
图7为本公开一示例性实施例提供的离散化方法对信道空间相关性的影响；
图8为本公开一示例性实施例提供的立体交通通信信道的建模装置的功能模块示意性框图；
图9为本公开一示例性实施例提供的电子设备的结构框图；
图10为本公开一示例性实施例提供的计算机系统的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。
本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
可以理解的是，在使用本公开各实施例公开的技术方案之前，均应当依据相关法律法规通过恰当的方式对本公开所涉及个人信息的类型、使用范围、使用场景等告知用户并获得用户的授权。
例如，在响应于接收到用户的主动请求时，向用户发送提示信息，以明确地提示用户，其请求执行的操作将需要获取和使用到用户的个人信息。从而，使得用户可以根据提示信息来自主地选择是否向执行本公开技术方案的操作的电子设备、应用程序、服务器或存储介质等软件或硬件提供个人信息。
作为一种可选的但非限定性的实现方式，响应于接收到用户的主动请求，向用户发送提示信息的方式例如可以是弹窗的方式，弹窗中可以以文字的方式呈现提示信息。此外，弹窗中还可以承载供用户选择“同意”或者“不同意”向电子设备提供个人信息的选择控件。可以理解的是，上述通知和获取用户授权过程仅是示意性的，不对本公开的实现方式构成限定，其它满足相关法律法规的方式也可应用于本公开的实现方式中。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种立体交通通信信道的建模方法，包括以下步骤：
步骤101，构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定MIMO信道模型的信道模型参数。
在一种可能实施例中，采用几何随机(GBSM，Geometry-Based Stochastic Model)对立体交通通信场景的多进多出(multiple-in multipleout；MIMO)信道进行建模，信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息。使用抽头延迟线(TDL,Tap Delay Line)结构来对信道的宽带特性进行模拟，如图2所示，图2示例性地示出了整体信道模型示意图，模型包含一个AIRS，AIRS通过空中载具进行挂载，具有一定的移动性。发射端Tx与接收端Rx均为均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)天线，天线间距分别为δT与δR。信道模型可以分为两条子信道：发射端和AIRS之间的第一子信道Tx-AIRS和AIRS和接收端之间的第二子信道AIRS-Rx。图3和图4分别示例性地示出了第一子信道Tx-AIRS的模型示意图和第一子信道Tx-AIRS的模型俯视示意图，如图4所示，模型配置的智能反射面含有Mx×My＝R个单元，每个单元行和列方向上的长度分别为和/>
为了考虑移动散射体对信道统计特性的影响，在模型中区分移动散射体(车辆)和静止散射体(电线杆和建筑物)。如图3和图4所示，图4为图3的俯视图，它是二维单环、三维多柱面和三维多共焦椭圆柱面的组合。静止散射体具有垂直结构，采用三维多柱面来模拟Tx/Rx周围的静止散射体。第l(l＝1,2,...,L(t))个圆柱面的半径为rl,1，第l个圆柱面上的有效静止散射体的个数记为Nl,1，其中L(t)为随时间变化的抽头总数。第l个圆柱面上的第nl,1个(nl,1＝1,2,...,Nl,1)静止散射体记为移动散射体的高度与Tx/Rx相似，采用半径为r2的二维单环模拟Tx/Rx周围的移动散射体。二维单环上有效移动散射体的个数记为N3，第n3个(n3＝1,2,...,N3)移动散射体记为/>Tx/Rx周围的移动散射体和静止散射体都被定义为近散射体。不属于Tx/Rx周围的散射体被定义为远散射体。采用三维多共焦椭圆柱面来模拟远散射体的分布。Tx/Rx和AIRS的投影点位于椭圆的两个焦点上，椭圆的焦距表示为/>如图2和图3所示。第l个椭圆柱面的半长轴和半短轴分别记为al和bl。将分布在第l个椭圆柱面上的有效散射体数记为Nl,2，第nl,2个(nl,2＝1,2,...,Nl,2)散射体记为在本模型中，Tx/Rx和AIRS都处于运动状态，它们都在3D空间中运动。
需要说明的是，第二子信道AIRS-Rx和第一子信道Tx-AIRS相同，可用同样的方法得到第二子信道AIRS-Rx的模型。
步骤102，基于信道模型参数确定发射端和AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定AIRS和接收端之间的第二子信道的信道矩阵。
在一种可能实施例中，基于信道模型参数，确定针对立体交通通信场景的每个抽头发射端的各个天线和AIRS的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到第一子信道Tx-AIRS的信道矩阵；
基于抽头延迟线(TDL)概念，发射端Tx的第p个天线单元与AIRS的第r个反射单元之间的冲击响应(CIR,Channel Impulse Response)函数可以表示为：
其中，l为抽头数，L(t)为抽头总数，cl为第l个抽头的增益，τl(t)为第l个抽头的传播时延。hl,pr(t)为第l个抽头的复信道增益。
基于信道模型参数，确定针对第一抽头，发射端的各个天线和AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到第一子信道Tx-AIRS的第一矩阵；其中，第一抽头为第一个抽头；
基于公式确定第一矩阵，对于第一个抽头，需要考虑所有分量，其中，/>表示针对第一抽头的LoS分量的径的信道冲击响应函数，/>表示针对第一抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，h1,pr(t)表示针对第一抽头，发射端的第p个天线和AIRS的第r个反射单元之间的第一信道冲击响应函数，/>和/>为基于信道模型参数确定。具体计算公式如下：
其中，
其中，εpr(t)，和/>分别为链路p→r，/>和/>的时变距离。fpr(t)，/>分别表示LoS分量和NLoS分量的多普勒频率。/>为第nl,i/n3个散射体造成的独立分布的随机相位。K为莱斯因子，λ为载波波长。/>为功率分配因子，且满足/>
基于信道模型参数，确定针对第二抽头，发射端的各个天线和AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到第一子信道Tx-AIRS的第二矩阵；第二抽头为除第一个抽头之外的其他抽头。
基于公式确定第二矩阵，第二抽头为除第一个抽头之外的其他抽头，对于其他抽头(l>1)，只需要考虑SBl,1和SBl,2分量，其中，/>表示针对第二抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，hl,pr(t)表示针对第二抽头，发射端的第p个天线和AIRS的第r个反射单元之间的第二信道冲击响应函数，/>为基于信道模型参数确定。具体计算过程如下：
其中，功率分配因子满足
公式中时变距离εpr(t)可由范数运算得出：
εpr(t)＝||dpr(t)||
其中，||·||代表欧几里得范数，dpr(t)表示链路p→r的时变距离矢量，可由以下矢量计算得出：
其中，为从Tx中心指向第p个天线单元的矢量，可表示为：
其中，θT和分别表示Tx天线阵列在X-Y平面上的方向角(相对于X轴)和Tx天线阵列相对于X-Y平面的仰角。/>可以表示为：
其中，HT和HA分别表示Tx和AIRS距离X-Y平面的高度。为Tx和AIRS水平距离，同样也是椭圆的焦距，即/>
vT和vA分别为Tx和AIRS的移动速度矢量，可表示：
vT＝vT[cosβTcosαT,cosβTsinαT,sinβT]
vA＝vA[cosβAcosαA,cosβAsinαA,sinβA]
其中，vT、αT、βT(vA，αA，βA)分别为Tx(AIRS)的移动速度、移动方位角和移动仰角。
Ir表示从AIRS中心到第r个反射单元的矢量，可表示为：
其中Ix和Iy分别表示Ir在AIRS面板的行和列方向上的分量，可表示为：
其中，和/>分别表示Ix和Iy在X-Y平面上的方向角(相对于x轴正方向)。只考虑IRS面板始终平行于X-Y平面的情况，故Ix和Iy没有相对于X-Y平面的仰角。
公式中多普勒频率fpr(t)可表示为：
其中，
中时变距离同样可由范数运算得出：
其中，和/>分别为链路/>和/>的时变距离矢量，可由以下矢量计算得出：
其中，为从Tx指向散射体/>的矢量，可分别表示为：
其中，rl,1为第l个三维圆柱的半径，为从Tx到散射体/>的投影距离，可表示为：
同理，公式中时变距离 同样可由范数运算得出：
其中，和/>分别为链路/>和/>的时变距离矢量，可由以下矢量计算得出：
vS为散射体的移动速度矢量，可表示为：
vS＝vS[cosβScosαS,cosβS sinαS,sinβS]
其中，vS为移动散射体的移动速度，αS和βS分别为散射体的移动方位角和仰角。
为从Tx指向散射体/>的矢量，可表示为：
公式公式公式/>和公式中的角度/>和/>为射线从Tx到散射体的离开方位角(AAoD,Azimuth Angle of Departu re)和离开仰角(EAoD,Elevation Angle of Departure)，假设在起始时刻移动散射体与Tx/Rx在同一高度，故
公式和公式中多普勒频率可表示为：
公式中多普勒频率/>可表示为：
在一种可能实施例中，基于信道模型参数，确定针对立体交通通信场景的每个抽头AIRS的各个天线和接收端的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到第二子信道AIRS-Rx的信道矩阵。需要说明的是，由于第二子信道AIRS-Rx的情况与第一子信道Tx-AIRS相同，第二子信道AIRS-Rx的信道矩阵可用同样的方法计算得出，故不再赘述。
需要说明的是，为了表征散射体的方位分布，本实施例提出的建模方法采用VonMises概率密度函数(PDF,Probability Density Function)，和/>可以用Von Mises分布来描述，可以表示为：
其中，μ∈[-π,π]，κ为环境因子，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数。
本实施例用Parsons PDF来描述散射体的仰角分布，可以表示为：
其中，βmax为的最大值。
步骤103，基于第一子信道的信道矩阵和第二子信道的信道矩阵，确定MIMO信道模型的信道矩阵。
在一种可能的实施例中，通过公式Hp×q(t,τ)＝Hpr(t,τ)×Φ×Hrq(t,τ)确定模型函数；其中，Hpr(t,τ)表示第一子信道Tx-AIRS的信道矩阵，Hrq(t,τ)表示第二子信道AIRS-Rx的信道矩阵，Hpr(t,τ)＝[hpr(t,τ)]p×R，Hrq(t,τ)＝[hrq(t,τ)]R×q，hpr(t,τ)和hrq(t,τ)分别为第一子信道Tx-AIRS中发射端第p个天线单元到AIRS第r个反射单元和第二子信道AIRS-Rx中AIRS第r个反射单元到接收端第q个天线单元的信道冲击响应。
Φ表示智能反射面IRS反射系数矩阵，diag(·)表示对角矩阵，/>表示第r个IRS单元所调整的相位，IRS的控制器采用恒定的相位配置，或者采用随时间和信道环境变化的相位配置，或者采用离散化的时变相位配置。
其中，r＝(x-1)My+y，通过调整IRS相位，将每个反射单元反射的多径相位与直射径对齐，同时抵消掉由于车辆和无人机的移动带来的多普勒相移，增强V2V通信的通信质量。
当IRS的控制器采用恒定的相位配置时，为在[0,2π)内的随机恒定值。在这种情况下，IRS相当于一般的散射体，并不调整信号的相位。取/>表示信号的相位不变。
当IRS的控制器采用随时间和信道环境变化的相位配置时，IRS的相位用来调整信道由Tx/Rx、AIRS和散射体的移动引起的多普勒相移，其中，/>和/>分别是在t时刻经过第r个IRS反射单元的第一子信道Tx-AIRS和第二子信道AIRS-Rx的多普勒相移的和。IRS可以实时获取Tx、Rx和AIRS的位置，对于第一子信道Tx-AIRS，若AIRS接收到的信号为LoS分量，则/>若AIRS接收到的信号为SBl,i(i＝1,2)分量，则/>若AIRS接收到的信号为SB3分量，则/>需要说明的是，其中关于fpr、/>和/>的计算在步骤102的实施例中已经得出。对于第二子信道AIRS-Rx，可由同样的方法得出。
当IRS的控制器采用离散化的时变相位配置时，考虑到现实中IRS的分辨率有限，IRS的控制器采用离散化的时变相位配置是基于采用随时间和信道环境变化的相位配置的离散化过程。离散化的过程是将[0,2π)分成2n个区间，其中n为量化比特数。的值是最近的等间隔的中值。
本公开实施例提供的立体交通通信信道的建模方法、装置、电子设备以及介质，通过构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定MIMO信道模型的信道模型参数；其中，信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；基于信道模型参数确定发射端和AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定AIRS和接收端之间的第二子信道的信道矩阵；基于第一子信道的信道矩阵和第二子信道的信道矩阵，确定MIMO信道模型的信道矩阵。由此，本公开可以实现对立体交通通信信道的建模，并且可以计算出立体交通通信场景的MIMO信道模型的信道矩阵。在需要确定该场景下发射端发出的通信信号的接收强度时，可以通过对立体交通通信场景的MIMO信道模型进行仿真，从而对立体交通通信场景下信号的传输进行分析预测和优化改进。
在一个实施例中，还提供了一种立体交通通信信道的建模方法，包括以下步骤：
通过公式计算MIMO信道模型的空时自相关函数；其中，ρl,pr,p′r(t,δT,τ)表示第一子信道Tx-AIRS的空时自相关函数；ρl,rq,rq′(t,δR,τ)表示第二子信道AIRS-Rx的空时自相关函数。
在一种可能的实施例中，信道的统计特性反映了信道在各方面的指标，可以用来评价信道质量的好坏，同时也可以评价所提出相位设计方案的性能。信道的空时自相关函数(ST-CF,Space-Time Correlation Function)计算公式如下：
其中，ρl,pr,p′r(t,δT,τ)和ρl,rq,rq′(t,δR,τ)分别为第一子信道Tx-AIRS和第二子信道AIRS-Rx的ST-CF，(·)*表示复共轭运算，表示统计期望运算。当δT＝δR＝0时，可单独计算时间自相关函数(ACF,Autocorrelation Function)，当τ＝0时，可单独计算空间相关函数(CCF,Cross-correlation Function)。
对于第一子信道Tx-AIRS，由于LoS分量、移动散射体的单弹分量和静止散射体的单弹分量是相互独立的，因此对于第一个抽头，第一子信道Tx-AIRS的ST-CF可以表示为：
其中，
功率分配因子满足
对于其他抽头(l≥2)，第一子信道Tx-AIRS的ST-CF可以表示为：
其中，功率分配因子满足
需要说明的是，由于第二子信道AIRS-Rx的情况与第一子信道Tx-AIRS相同，第二子信道AIRS-Rx子信道的ST-CF可以用同样的方法计算得出，不再进行赘述。
在本实施例中，通过公式计算出了MIMO信道模型的空时自相关函数，空时自相关函数可以反映出信道在各方面的指标，从而可以对立体交通通信场景下信号的传输进行分析预测和优化改进。
发明人根据IRS的控制器采用恒定的相位配置，或者采用随时间和信道环境变化的相位配置，或者采用离散化的时变相位配置对建立的立体交通通信信道模型进行了仿真，仿真结果展示了所提出的三种IRS的控制器相位配置方法的信道统计特性，信道的统计特性反映了信道在各方面的指标，可以用来评价信道质量的好坏，同时也可以评价所提出相位设计方案的性能。假设1、假设2和假设3分别对应IRS的控制器采用恒定的相位配置、IRS的控制器采用随时间和信道环境变化的相位配置和IRS的控制器采用离散化的时变相位配置，图5示例性地示出了不同相位设计方案和起始时刻对信道时间相关性的影响，图6示例性地示出了不同相位设计方案和AIRS移动速度对信道时间相关性的影响，图7示例性地示出了离散化方法对信道空间相关性的影响。
在采用对应各个功能划分各个功能模块的情况下，本公开实施例提供了一种立体交通通信信道的建模装置，该立体交通通信信道的建模装置可以为服务器或应用于服务器的芯片。图8为本公开一示例性实施例提供的立体交通通信信道的建模装置的功能模块示意性框图。如图8所示，该立体交通通信信道的建模装置包括：
构建模块801，用于构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定所述MIMO信道模型的信道模型参数；其中，所述信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；
第一确定模块802，用于基于所述信道模型参数确定所述发射端和所述AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定所述AIRS和所述接收端之间的第二子信道的信道矩阵；
第二确定模块803，用于基于所述第一子信道的信道矩阵和所述第二子信道的信道矩阵，确定所述MIMO信道模型的信道矩阵。
在一个实施例中，第一确定模块802，包括：
第一确定单元，用于基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述发射端的各个天线和所述AIRS的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的信道矩阵；
第二确定单元，用于基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述AIRS的各个天线和所述接收端的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第二子信道的信道矩阵。
在一个实施例中，第一确定模块802，包括：
第三确定单元，用于基于所述信道模型参数，确定针对第一抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第一矩阵；其中，所述第一抽头为第一个抽头；
第四确定单元，用于基于所述信道模型参数，确定针对第二抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第二矩阵；所述第二抽头为除所述第一个抽头之外的其他抽头。
在一个实施例中，第一确定模块802，包括：
第五确定单元，用于基于公式确定所述第一矩阵；
其中，所述表示针对所述第一抽头的LoS分量的径的信道冲击响应函数，表示针对所述第一抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，h1,pr(t)表示针对所述第一抽头，所述发射端的第p个天线和所述AIRS的第r个反射单元之间的第一信道冲击响应函数，所述/>和所述/>为基于所述信道模型参数确定。
在一个实施例中，第一确定模块802，包括：
第六确定单元，用于基于公式确定所述第二矩阵；
其中，所述表示针对所述第二抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，hl,pr(t)表示针对所述第二抽头，所述发射端的第p个天线和所述AIRS的第r个反射单元之间的第二信道冲击响应函数，所述/>为基于所述信道模型参数确定。
在一个实施例中，第二确定模块803，包括：
第七确定单元，用于通过公式Hp×q(t,τ)＝Hpr(t,τ)×Φ×Hrq(t,τ)确定所述模型函数；
其中，Hpr(t,τ)表示所述第一子信道的信道矩阵，Hrq(t,τ)表示所述第二子信道的信道矩阵，Φ表示智能反射面IRS反射系数矩阵，diag(·)表示对角矩阵，/>表示第r个IRS单元所调整的相位，所述IRS的控制器采用恒定的相位配置，或者采用随时间和信道环境变化的相位配置，或者采用离散化的时变相位配置。
在一个实施例中，所述装置还包括：
计算模块，用于通过公式计算所述MIMO信道模型的空时自相关函数；
其中，ρl,pr,p′r(t,δT,τ)表示第一子信道的空时自相关函数；ρl,rq,rq′(t,δR,τ)表示第二子信道的空时自相关函数。
本公开实施例还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；用于存储所述至少一个处理器可执行指令的存储器；其中，所述至少一个处理器被配置为执行所述指令，以实现本公开实施例公开的上述方法。
图9为本公开一示例性实施例提供的电子设备的结构示意图。如图9所示，该电子设备900包括至少一个处理器901以及耦接至处理器901的存储器902，该处理器901可以执行本公开实施例公开的上述方法中的相应步骤。
上述处理器901还可以称为中央处理单元(central processing unit，CPU)，其可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。本公开实施例公开的上述方法中的各步骤可以通过处理器901中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器901可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processing，DSP)、ASIC、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本公开实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储器902中，例如随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质。处理器901读取存储器902中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
另外，根据本公开的各种操作/处理在通过软件和/或固件实现的情况下，可从存储介质或网络向具有专用硬件结构的计算机系统，例如图10所示的计算机系统1000安装构成该软件的程序，该计算机系统在安装有各种程序时，能够执行各种功能，包括诸如前文所述的功能等等。图10为本公开一示例性实施例提供的计算机系统的结构框图。
计算机系统1000旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图10所示，计算机系统1000包括计算单元1001，该计算单元1001可以根据存储在只读存储器(ROM)1002中的计算机程序或者从存储单元1008加载到随机存取存储器(RAM)1003中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1003中，还可存储计算机系统1000操作所需的各种程序和数据。计算单元1001、ROM 1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。输入/输出(I/O)接口1005也连接至总线1004。
计算机系统1000中的多个部件连接至I/O接口1005，包括：输入单元1006、输出单元1007、存储单元1008以及通信单元1009。输入单元1006可以是能向计算机系统1000输入信息的任何类型的设备，输入单元1006可以接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置和/或功能控制有关的键信号输入。输出单元1007可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。存储单元1008可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元1009允许计算机系统1000通过网络诸如因特网的与其他设备交换信息/数据，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信收发机和/或芯片组，例如蓝牙TM设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。
计算单元1001可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元1001的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元1001执行上文所描述的各个方法和处理。例如，在一些实施例中，本公开实施例公开的上述方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元1008。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1002和/或通信单元1009而被载入和/或安装到电子设备1000上。在一些实施例中，计算单元1001可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行本公开实施例公开的上述方法。
本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，当所述计算机可读存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得所述电子设备能够执行本公开实施例公开的上述方法。
本公开实施例中的计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。上述计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。更具体的，上述计算机可读存储介质可以包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。
本公开实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本公开实施例公开的上述方法。
在本公开的实施例中，可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括但不限于面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本公开实施例中所涉及到的模块、部件或单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。其中，模块、部件或单元的名称在某种情况下并不构成对该模块、部件或单元本身的限定。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示例性的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。
以上描述仅为本公开的一些实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种立体交通通信信道的建模方法，其特征在于，所述方法包括：
构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定所述MIMO信道模型的信道模型参数；其中，所述信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；
基于所述信道模型参数确定所述发射端和所述AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定所述AIRS和所述接收端之间的第二子信道的信道矩阵；
基于所述第一子信道的信道矩阵和所述第二子信道的信道矩阵，确定所述MIMO信道模型的信道矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述信道模型参数确定所述发射端和所述AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定所述AIRS和所述接收端之间的第二子信道的信道矩阵，包括：
基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述发射端的各个天线和所述AIRS的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的信道矩阵；
基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述AIRS的各个天线和所述接收端的各个反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第二子信道的信道矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述信道模型参数，确定针对所述立体交通通信场景的每个抽头所述发射端的各个天线和所述AIRS的各个反射单元之间信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的信道矩阵，包括：
基于所述信道模型参数，确定针对第一抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第一矩阵；其中，所述第一抽头为第一个抽头；
基于所述信道模型参数，确定针对第二抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第二矩阵；所述第二抽头为除所述第一个抽头之外的其他抽头。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述信道模型参数，确定针对第一抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第一矩阵，包括：
基于公式确定所述第一矩阵；
其中，所述表示针对所述第一抽头的LoS分量的径的信道冲击响应函数，/>表示针对所述第一抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，h1,pr(t)表示针对所述第一抽头，所述发射端的第p个天线和所述AIRS的第r个反射单元之间的第一信道冲击响应函数，所述/>和所述/>为基于所述信道模型参数确定。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述信道模型参数，确定针对第二抽头，所述发射端的各个天线和所述AIRS的反射单元之间的信道冲击响应函数，得到所述第一子信道的第二矩阵，包括：
基于公式确定所述第二矩阵；
其中，所述表示针对所述第二抽头的NLoS分量的径的信道冲击响应函数，hl,pr(t)表示针对所述第二抽头，所述发射端的第p个天线和所述AIRS的第r个反射单元之间的第二信道冲击响应函数，所述/>为基于所述信道模型参数确定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散射体的位置信息包括散射体的方位角和散射体的仰角；
所述散射体的方位角通过公式确定；
所述散射体的仰角通过公式确定；
其中，κ表示环境因子，μ∈[-π,π]，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，βmax为/>的最大值，/>表示所述散射体相对于发射端的方位角，/>表示所述散射体相对于发射端的仰角，μ表示Von Mises分布的均值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一子信道的信道矩阵和所述第二子信道的信道矩阵，确定所述MIMO信道模型的模型函数，包括：
通过公式Hp×q(t,τ)＝Hpr(t,τ)×Φ×Hrq(t,τ)确定所述模型函数；
其中，Hpr(t,τ)表示所述第一子信道的信道矩阵，Hrq(t,τ)表示所述第二子信道的信道矩阵，Φ表示智能反射面IRS反射系数矩阵，diag(·)表示对角矩阵，/>表示第r个IRS单元所调整的相位，所述IRS的控制器采用恒定的相位配置，或者采用随时间和信道环境变化的相位配置，或者采用离散化的时变相位配置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过公式计算所述MIMO信道模型的空时自相关函数；
其中，ρl,pr,p′r(t,δT,τ)表示第一子信道的空时自相关函数；ρl,rq,rq′(t,δR,τ)表示第二子信道的空时自相关函数。
9.一种立体交通通信信道的建模装置，其特征在于，所述装置包括：
构建模块，用于构建立体交通通信场景的MIMO信道模型，并确定所述MIMO信道模型的信道模型参数；其中，所述信道模型参数包括以下至少之一：发射端和接收端的位置信息、空中智能反射面AIRS的反射单元信息、AIRS的位置信息和散射体的位置信息；
第一确定模块，用于基于所述信道模型参数确定所述发射端和所述AIRS之间的第一子信道的信道矩阵，并确定所述AIRS和所述接收端之间的第二子信道的信道矩阵；
第二确定模块，用于基于所述第一子信道的信道矩阵和所述第二子信道的信道矩阵，确定所述MIMO信道模型的信道矩阵。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
用于存储所述至少一个处理器可执行指令的存储器；
其中，所述至少一个处理器被配置为执行所述指令，以实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
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