一種三維雙移動(dòng)mimo傳播信道的建模及仿真方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種三維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的建模及仿真方法，供通信系統(tǒng)優(yōu)化研究和系統(tǒng)性能評(píng)估使用。在三維雙移動(dòng)MIMO傳播系統(tǒng)中，所述建模及仿真實(shí)現(xiàn)方法包括如下步驟：對(duì)三維雙移動(dòng)MIMO傳播信道進(jìn)行理論建模，獲得其理論數(shù)學(xué)模型；將數(shù)學(xué)理論模型轉(zhuǎn)換為便于仿真實(shí)現(xiàn)的累加模型；利用用戶指定或?qū)崪y(cè)的方位角/俯仰角聯(lián)合分布特性分別計(jì)算獲得三維離散到達(dá)角/離開(kāi)角的取值；利用收、發(fā)端移動(dòng)速度大小、方向及三維離開(kāi)角/到達(dá)角計(jì)算收、發(fā)端的多普勒頻移；利用收、發(fā)端天線陣列流型，獲得其導(dǎo)引矢量矩陣；將三維離散到達(dá)角/離開(kāi)角、收/發(fā)端多普勒頻移、收/發(fā)端導(dǎo)引矢量矩陣代入三維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的累加形式表達(dá)式，計(jì)算獲得三維雙移動(dòng)MIMO傳播信道。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種H維雙移動(dòng)MI MO傳播信道的建模及仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無(wú)線信道的建模及仿真方法，屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，具體是一種綜合考 慮收發(fā)端雙移動(dòng)、方位角/俯仰角聯(lián)合分布、多普勒頻移、天線陣列等因素的=維雙移動(dòng) MIMO傳播信道的建模及仿真方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 多輸入多輸出技術(shù)(Multiple I噸Ut Multiple Output,MIMO)是當(dāng)前無(wú)線移動(dòng)通 信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，它能夠充分利用空間位置的多天線，不增加帶寬或發(fā)送功率的前提下， 有效對(duì)抗無(wú)線信道衰落，從而大幅度提高系統(tǒng)的頻譜利用率和容量，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
[0003] 建立準(zhǔn)確而有效的MIMO信道模型是實(shí)現(xiàn)MIMO移動(dòng)通信系統(tǒng)及確立傳輸策略的理 論基礎(chǔ)，而現(xiàn)有成熟的信道模型及仿真方法大多局限于二維入射形式。在實(shí)際傳播環(huán)境中， 由于不同高度的散射體隨機(jī)分布和收發(fā)端天線自身的高度，導(dǎo)致電磁波經(jīng)過(guò)反射、繞射和 折射等方式后從不同=維方向入射到接收天線，即除了水平維的方位角外，還有垂直維的 俯仰角。同時(shí)，越來(lái)越多的通信系統(tǒng)中的收發(fā)雙方均存在移動(dòng)情況，因此，研究=維雙移動(dòng) MIMO傳播信道的模型具有重要理論意義。另一方面，為了評(píng)估MIMO通信系統(tǒng)在實(shí)際MIMO通 信環(huán)境下的性能，也需要實(shí)時(shí)產(chǎn)生MIMO信道，故該信道的仿真實(shí)現(xiàn)具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 為了準(zhǔn)確分析及研究S維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的模型及特性，本發(fā)明提出一種綜 合考慮收發(fā)端雙移動(dòng)、方位角/俯仰角聯(lián)合分布、多普勒頻移、天線陣列等因素的=維雙移 動(dòng)MIMO傳播信道的建模及仿真方法。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種=維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的建模及仿真方法，包 括如下步驟：
[0006] 第一步:考慮發(fā)射和接收信號(hào)S維傳播的情況，建立雙移動(dòng)MIMO信道模型為如下 形式
[0007]
< 1 >
[000引其中，ar(ar，山）、at(at，M分別為收、發(fā)端天線陣列的導(dǎo)引矢量;日r/日t為收/發(fā)端方 位角，fc/et為收/發(fā)端俯仰角;pK，et)為發(fā)射信號(hào)離開(kāi)角的聯(lián)合概率密度函數(shù)，P(Qrifc)為 接收信號(hào)到達(dá)角的聯(lián)合概率密度函數(shù);W為支路附加相移，服從[0,2n]的均勻分布;fr、ft分 別表示收發(fā)端移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻移分量;j為虛部單位；
[0009] 第二步:為了快速實(shí)現(xiàn)=維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的仿真，將第一步中的理論模型 改寫(xiě)為如下仿真模型形式
[0010]
[00川其中，a,(妙，從I)為發(fā)射端天線陣列的導(dǎo)引矢量A的h，斯巧接收端天線陣列的 導(dǎo)引矢量;<2 /<1為收/發(fā)端方位角，保V伴'為收/發(fā)端俯仰角；乂、Zfi為收發(fā)端各支路 的多普勒頻移;化、化為接收端、發(fā)射端的散射支路數(shù)目；斬為支路附加相移，服從[0,231] 的均勻分布，j為虛部單位；
[0012] 第=步：根據(jù)用戶預(yù)先指定或?qū)崪y(cè)的方位角/俯仰角聯(lián)合分布，動(dòng)態(tài)計(jì)算并產(chǎn)生 化、化組到達(dá)角和離開(kāi)角的方位角/俯仰角值；
[0013] 第四步:利用離開(kāi)角/到達(dá)角取值W及收/發(fā)端移動(dòng)速度矢量計(jì)算化化支路的多普 勒頻移；
[0014] 第五步:利用收/發(fā)端天線陣列的S維布局策略，獲得收/發(fā)端天線陣列的導(dǎo)引矢 量如齡，爲(wèi)"1 ：)、，a,做，:煤2 ：):，進(jìn)而獲得;a胸'，煤'知秘::，保':j)%
[001引第六步：將上述步驟中計(jì)算獲得的多普勒頻移乂"'分;'^、天線陣列導(dǎo)引矢量 a,?'，伴'）/ a,,(<:，保:)代入立維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的仿真模型中，最后實(shí)時(shí)輸出MIMO信 道衰落。
[0016] 進(jìn)一步地，第=步中具體包括如下方法：
[0017] 1)假設(shè)到達(dá)角或離開(kāi)角的歸一化二維聯(lián)合分布函數(shù)為如<,.，片其中離開(kāi)角情 況令n=m，到達(dá)角情況令n=m，利用等體積法將該函數(shù)曲線圍成的體積等分為N份，其中離 開(kāi)角情況令N=化-1，至Ij達(dá)角情況令N=化-1，即
[001 引
（3)
[0019]同時(shí)，令對(duì)城、媒r的空間采樣步長(zhǎng)相等，即 [00：
[0021] 2似議;I為中屯、點(diǎn)，在左半?yún)^(qū)間[-巧+ a;),.，0 +端]取N/4個(gè)at/r值，并在右半?yún)^(qū)間 [0 +姑.，死+城樹(shù)稱取N/4個(gè)at/r值；W彷,.為中屯、點(diǎn)，在左半?yún)^(qū)間[-巧/ 2 +做.0 +烘,.]取N/4 個(gè)et/r值，并在右半?yún)^(qū)間陽(yáng)+戌;,，TT / 2 +錠。對(duì)稱取N/4個(gè)0t/r值；
[0022] 3)結(jié)合步驟1)和2)可獲得(化1)組方位角和俯仰角另品:。
[0023 ]進(jìn)一步地，第四步中具體包括如下方法：
[0024] 令乂"2、鮮為收發(fā)支路的多普勒頻移，vt、聲，Vr、C分別為發(fā)射端W及接收端的速 度大小、方向，f。為通信載頻，(<"，《'=)、K'1，/?,"')分別為到達(dá)角、離開(kāi)角，各支路的多普勒 頻移包含發(fā)射端頻移和接收端頻移兩部分因素，且可利用下式進(jìn)行計(jì)算
[0025](5)。.
[0026] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0027] (1)、本發(fā)明提出的=維雙移動(dòng)MIMO傳播信道模型，綜合考慮了 =維信號(hào)傳播W及 收發(fā)端二者都存在運(yùn)動(dòng)的情況；
[0028] (2)、本發(fā)明提出的S維雙移動(dòng)MIMO傳播信道仿真方法，適用于方位角/俯仰角非 獨(dú)立情況，且二者的聯(lián)合概率分布可服從任意分布；
[0029] (3)、本發(fā)明提出的S維雙移動(dòng)MIMO傳播信道仿真方法，便于計(jì)算機(jī)仿真和FPGA硬 件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)輸出信道具備時(shí)間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落等特征。
【附圖說(shuō)明】：
[0030] 圖1為基于收發(fā)端雙移動(dòng)散射環(huán)境下的=維MIMO信道模型。
[0031] 圖2為本發(fā)明所列舉實(shí)施例中Von Mises Fisher二維聯(lián)合概率理論分布。
[0032] 圖3為采用本發(fā)明產(chǎn)生的方位角和俯仰角的二維統(tǒng)計(jì)分布。
[0033] 圖4是本發(fā)明所列舉實(shí)施例中產(chǎn)生的化化條支路的多普勒頻移。
[0034] 圖5是本發(fā)明所列舉實(shí)施例中產(chǎn)生的MIMO信道衰落的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)分布。
[0035] 圖6是本發(fā)明所列舉實(shí)施例中產(chǎn)生的MIMO信道衰落的歸一化自相關(guān)函數(shù)模值。
【具體實(shí)施方式】：
[0036] 本發(fā)明=維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的建模及仿真方法，包括如下步驟：
[0037] 第一步:考慮發(fā)射和接收信號(hào)S維傳播的情況，建立雙移動(dòng)MIMO信道模型為如下 形式
[00；3 引 （1)
[0039] 其中，ar(Qr，拍）、曰*(日*，私)分別為收、發(fā)端天線陣列的導(dǎo)引矢量;如/日*為收/發(fā)端方 位角(入射信號(hào)投影與X軸夾角），擔(dān)/氏為收/發(fā)端俯仰角(入射信號(hào)與xoy平面夾角）；pK, Pt)為發(fā)射信號(hào)離開(kāi)角的聯(lián)合概率密度函數(shù)，P(Qr，擔(dān))為接收信號(hào)到達(dá)角的聯(lián)合概率密度函 數(shù);為支路附加相移，服從[0,231]的均勻分布;fr、ft分別表示收發(fā)端移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻 移分量;j為虛部單位；
[0040] 第二步:為了快速實(shí)現(xiàn)=維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的仿真，將第一步中的理論模型 改寫(xiě)為如下仿真模型形式
[0041 ]
(2)
[0042] 其中，a,(<'|，欺)為發(fā)射端天線陣列的導(dǎo)引矢量，a,(賊，為接收端天線陣列的 導(dǎo)引矢量;故^ /<1為收/發(fā)端方位角(入射信號(hào)投影與X軸夾角），供^ /伴1為收/發(fā)端俯仰角 (入射信號(hào)與xoy平面夾角）；乂"2、乂"1為收發(fā)端各支路的多普勒頻移;化、化為接收端、發(fā)射 端的散射支路數(shù)目；％A為支路附加相移，服從[0神]的均勻分布;j為虛部單位；
[0043] 第=步：根據(jù)用戶預(yù)先指定或?qū)崪y(cè)的方位角/俯仰角聯(lián)合分布，動(dòng)態(tài)計(jì)算并產(chǎn)生 化、化組到達(dá)角和離開(kāi)角的方位角/俯仰角值；
[0044] 第四步:利用離開(kāi)角/到達(dá)角取值W及收/發(fā)端移動(dòng)速度矢量計(jì)算化化支路的多普 勒頻移；
[0045] 第五步:利用收/發(fā)端天線陣列的=維布局策略，獲得收/發(fā)端天線陣列的導(dǎo)引矢 量3供\巧"1)、a,.(<:，保;），進(jìn)而獲得a,似，保'i)片似，供':))r ;
[0046] 第六步：將上述步驟中計(jì)算獲得的多普勒頻移r次"2、天線陣列導(dǎo)引矢量 a艇的,":，巧巧代入立維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的仿真模型中，最后實(shí)時(shí)輸出MIMO信 道衰落。
[0047] 其中，第=步中具體包括如下方法：
[004引1)假設(shè)到達(dá)角或離開(kāi)角的歸一化二維聯(lián)合分布函數(shù)為知<,，厲：,.）（離開(kāi)角情況令n =m，到達(dá)角情況令n=ri2)，利用等體積法將該函數(shù)曲線圍成的體積等分為N份(離開(kāi)角情況 令N=化-1，到達(dá)角情況令N=化-1)，即
[0049]
[0化0] 同時(shí)，令對(duì)貸1、傲,，的巧間采樣巧長(zhǎng)巧等，良口
[0化1 ]
[0052] 2似喊為中屯、點(diǎn)，在左半?yún)^(qū)間Hr +誠(chéng)，0 +端.]取N/4個(gè)at/r值，并在右半?yún)^(qū)間 [0 +誠(chéng)，兀+城.樹(shù)稱取N/4個(gè)at/r值;W觀為中屯、點(diǎn)，在左半?yún)^(qū)間[-兀/ 2 +仿r，0 +似.]取N/4 個(gè)et/r值，并在右半?yún)^(qū)間陽(yáng)+《1.，兀/ 2 +錢(qián),.]對(duì)稱取N/4個(gè)Pvr值；
[0053] 3)結(jié)合步驟1)和2)可獲得(化1)組方位角麟,和俯仰角保
[0054] 其中，第四步中具體包括如下方法：
[0化5]令怎&、於9為收發(fā)支路的多普勒頻移，vt、巧，Vr、巧分別為發(fā)射端W及接收端的速 度大小、方向，f。為通信載頻，(批，於）、（a,"1，伴")分別為到達(dá)角、離開(kāi)角，各支路的多普勒 頻移包含發(fā)射端硫族巧按收端硫族兩部A巧素.日前刺巧下?lián)糁v斤計(jì)當(dāng)
[0056]
(度）
[0057] 下面具體通過(guò)一個(gè)實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明=維雙移動(dòng)MIMO傳播信道的建模及仿真 方法，本實(shí)施例采用表1所示的仿真場(chǎng)景參數(shù)，MIMO信道的產(chǎn)生步驟如下所示：
[005引表1:仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置
[0化9]
[0061 ] 1、計(jì)算產(chǎn)生N+l = 41組服從Von Mises Fisher二維分布的離開(kāi)角/到達(dá)角取值，根據(jù)定義及角度參數(shù)，可得
[0060]
[0062]
[0063] 將上述分布函數(shù)代入【具體實(shí)施方式】部分中的方程組式(3)和(4)，求解獲得的收發(fā) 端方位角及俯仰角的N組取值(中屯、點(diǎn)除外)如表2所示。
[0064] 表2:收發(fā)端方位角及俯仰角取值
[00 化]
[0066]
[0067] 2、將收發(fā)端的移動(dòng)速度vt/vr、方向巧7聲及方位角<'/<-'、俯仰角角/供2參數(shù)代 入多普勒頻移表達(dá)式，計(jì)算獲得各散射支路的多普勒頻移如圖3所示。
[0068] 3、根據(jù)仿真參數(shù)，計(jì)算獲得收發(fā)天線陣列的導(dǎo)引矢量分別為
[0069]
(7)
[0070] 4、將上述步驟獲得的仿真參數(shù)代入仿真模型式(2)，實(shí)時(shí)計(jì)算輸出MIMO信道衰落。
[0071] 本實(shí)施例所獲得的效果可W通過(guò)圖1-圖5仿真實(shí)驗(yàn)中所獲得的具體數(shù)據(jù)作進(jìn)一步 的說(shuō)明。我們可W看到：1)從圖1、2可W看出利用本發(fā)明提出的到達(dá)角/離開(kāi)角的產(chǎn)生方法 產(chǎn)生出的方位角/俯仰角的聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分布與與理論分布吻合;2)從圖4、5可W看出雙移動(dòng)信 道的幅值統(tǒng)計(jì)分布、包絡(luò)自相關(guān)特性與傳統(tǒng)的單移動(dòng)瑞利信道的不同。
[0072] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可W作出若干改進(jìn)，運(yùn)些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的 保護(hù)犯i圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種Ξ維雙移動(dòng)ΜΙΜΟ傳播信道的建模及仿真方法，其特征在于:包括如下步驟 第一步:考慮發(fā)射和接收信號(hào)Ξ維傳播的情況，建立雙移動(dòng)ΜΙΜΟ信道模型為如下形式其中，曰如，，叫、曰如*，氏)分別為收、發(fā)端天線陣列的導(dǎo)引矢量;曰,/曰*為收/發(fā)端方位 角，iWPt為收/發(fā)端俯仰角;p(at，M為發(fā)射信號(hào)離開(kāi)角的聯(lián)合概率密度函數(shù)，ρΚ,βτ)為接 收信號(hào)到達(dá)角的聯(lián)合概率密度函數(shù);巧為支路附加相移，服從[〇,2π]的均勻分布;fr、ft分別 表示收發(fā)端移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻移分量;j為虛部單位； 第二步:為了快速實(shí)現(xiàn)Ξ維雙移動(dòng)ΜΙΜΟ傳播信道的仿真，將第一步中的理論模型改寫(xiě) 為如下仿真模型形式其中，a,K'i，A"i)為發(fā)射端天線陣列的導(dǎo)引矢量，a,:知,"2，《'2)為接收端天線陣列的導(dǎo)引 矢量；嶺/<1為收/發(fā)端方位角，欺/保'為收/發(fā)端俯仰角；乂"3、於為收發(fā)端各支路的多 普勒頻移;化、化為接收端、發(fā)射端的散射支路數(shù)目；斬為支路附加相移，服從[0,2π]的均 勻分布;j為虛部單位； 第Ξ步:根據(jù)用戶預(yù)先指定或?qū)崪y(cè)的方位角/俯仰角聯(lián)合分布，動(dòng)態(tài)計(jì)算并產(chǎn)生化、化組 到達(dá)角和離開(kāi)角的方位角/俯仰角值； 第四步:利用離開(kāi)角/到達(dá)角取值W及收/發(fā)端移動(dòng)速度矢量計(jì)算化化支路的多普勒頻 移； 第五步：利用收/發(fā)端天線陣列的Ξ維布局策略，獲得收/發(fā)端天線陣列的導(dǎo)引矢量 3如;'1，伴1)、3,.(磚，保b)，進(jìn)而獲得第六步：將上述步驟中計(jì)算獲得的多普勒頻移尤b、天線陣列導(dǎo)引矢量 a,(<1，伴1)/ a,.?%儀）代入立維雙移動(dòng)ΜΙΜΟ傳播信道的仿真模型中，最后實(shí)時(shí)輸出ΜΙΜΟ信 道衰落。2. 如權(quán)利要求1所述的Ξ維雙移動(dòng)ΜΙΜΟ傳播信道的建模及仿真方法，其特征在于:第Ξ 步中具體包括如下方法： 1) 假設(shè)到達(dá)角或離開(kāi)角的歸一化二維聯(lián)合分布函數(shù)為的其中離開(kāi)角情況令η =m，到達(dá)角情況令n = m，利用等體積法將該函數(shù)曲線圍成的體積等分為Ν份，其中離開(kāi)角 情況令N=化-1，到達(dá)角情況令N=化-1，即2) 為中必點(diǎn)，在左半?yún)^(qū)間[-?T+:c4,0 + e4]取N/4個(gè)at/r值，并在右半?yún)^(qū)間 [ο +姑，死+誠(chéng).樹(shù)稱取N/4個(gè)at/r值；化叛為中屯、點(diǎn)，在左半?yún)^(qū)間[-兀Z 2 +似.，ο +似.峨N/4 個(gè)0t/r值，并在右半?yún)^(qū)間[0 +，兀/ 2 -f保,.]對(duì)稱取N/4個(gè)iVr值； 3)結(jié)合步驟1)和2)可獲得(N+1)組方位角誠(chéng)和俯仰角件;,.。3.如權(quán)利要求2所述的Ξ維雙移動(dòng)ΜΙΜΟ傳播信道的建模及仿真方法，其特征在于:第四 步中具體包括如下方法： 令乂"2、乂"'為收發(fā)支路的多普勒頻移，vt、貨，Vr、巧分別為發(fā)射端W及接收端的速度大 小、方向，f。為通信載頻，K"，A"1)分別為到達(dá)角、離開(kāi)角，各支路的多普勒頻移 包含發(fā)射端頻移和接收端頻移兩部分因素，且可利用下式進(jìn)行計(jì)算
【文檔編號(hào)】H04B17/00GK105978647SQ201610237783
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】薛翠薇, 朱秋明, 閉宇銘, 陳小敏, 王成華, 楊穎
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)