一种3d-mimo天线极化增益的联合存储方法
【专利摘要】本发明属于无线通信【技术领域】，尤其涉及3D天线极化增益的计算和3D信道估计技术。本发明根据半波偶极天线的共同特性，发明一种联合存储极化增益的方法，该方法对3D-MIMO中天线系统的三维极化增益的存储数据进行了分类和简化，不仅节省了大量的存储空间，解决了巨大的三维极化增益数据的存储难题，又能加快波束离开或到达天线时的三维极化增益的计算，还减小了天线在调整姿态时所需要更新的动态数据，有利于天线对准技术的实施。
【专利说明】—种3D-MIM0天线极化增益的联合存储方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，尤其涉及3D天线极化增益的计算和3D信道估计技术。
【背景技术】
[0002]随着无线通信的发展，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, ΜΙΜΟ)技术被越来越深入地研究，由于无线信道的多径特性，使得MIMO技术在不改变发射功率和带宽的情况下，相对单天线系统有很大的容量提升，因此，MMO已经成为许多天线通信系统的关键应用技术，比如第四代无线通信技术LTE (3GPP Long Term Evolution)。
[0003]以往的无线通信技术所涉及的MMO技术均是指二维的多输入多输出(Two-Dimensional Multiple Input and Multiple Output System, 2D-MIM0)技术，即基站到用户的传输电磁波是在平面内进行传输的，从基站(Base Station, BS)到用户(MobileStation, MS)各条多径的离开角和到达角均限制在水平面的二维平面内，波束的到达角只考虑水平到达角(Angle Of Arrival，Α0Α)，波束的离开角只考虑水平离开角(AngleOf Departure, A0D),而把垂直到达角(Elevation Angle Of Arrival, E0A)和垂直离开角(Elevation Angle Of D印arture，E0D)都默认设为了 90度。三维的多输入多输出(Three-Dimensional Multiple Input and Multiple Output System, 3D-MIM0)系统是在传统2D-MIM0中增加了仰角的维度，即EOA和EOD不能简单的都设为90度，而是会根据系统不同的场景中基站用户不同的分布而确定的值，代表的是电磁波在传播过程中，在垂直方向上偏离的角度大小，因此，比2D-MM0多了一个仰角维度。目前尚属于较新的前沿【技术领域】。
[0004]在传统的2D-MM0中，因此，天线的极化增益仅存在于水平面，是一个数据量不大的2维数组。传统的2D-MM0天线系统架构大部分均为每根天线拥有独立的一个储存器，用来存储自身的极化增益，当传播波束到达时，每根天线根据该到达波束的方位角确定一对上下限点，使该方位角位于上下限点之间，然后从自身的存储器中读取出方位角范围上限点和下限点的极化增益值，利用一维插值，可以快速计算出该波束的极化增益。传统的2D-MM0天线的设计框图如图1所示，拥有多个存储器、计算模块、信道控制模块和天线下倾角调整模块等。当波束到达时，每根天线从与之相连的极化增益存储器中，取出两个与到达波束角度最接近的两个点，传输给计算模块，计算模块根据一维插值方法，可以快速计算出该到达波束的天线极化增益，传输给信道控制模块，以便用于后续的信道检测和波束赋形等运用，也传输给天线下倾角调整模块，用于动态调整每根天线的极化增益存储器的值。
[0005]显然，传统的2D-MM0明显不符合实际中波束的传输情况，实际通信环境中，由于散射体的高度和天线的高度，电磁波要经过绕射、折射等方式传输到用户端，是一个三维的传输场景，除了水平到达角和离开角外，还有垂直维的角度，EOA和EOD不总是为90度，因此,考虑加入EOA和EOD的影响，会给信道增加一个仰角方位的变化维度,进而会增加信道的传输容量，因此，3D-MIM0会带来更好的信道增益等优点，是今后信道设计和仿真的一个发展趋势之一。目前，对于3D-MM0的建模，主要集中在WINNER II (Wireless WorldInitiative New Radio II，WINNER II )信道的基础上，进行仰角维度的扩展，完成对3D-MIM0信道建模和仿真验证。
[0006]由于3D-MM0需要考虑仰角的影响，因此需要把天线的场分布从简单的2维扩展到复杂的3维的立体空间，此时的极化增益的特性变得复杂，因此，3D-MM0需要储存的极化增益数组将是一个数据量巨大的三维数据，即使采用了一定的压缩算法，需要存储的场分布仍然是一个数据量巨大的三维数组，传统的2D-MIM0天线存储计划增益的方式会带来巨大的存储开销，而且当电磁波波束到达时，计算计划增益时需要读取的数据多，导致效率低，耗时长，给信道计算带来的延时大，不利于信道传输的实时性。并且，当采用适当的波束成形，根据用户的方位分布而调整天线的排放位置，调整波束覆盖范围以便使接收到的信号最佳时，天线需要更新储存器中的计划增益的数据量也较大，不利于天线的对准技术的实现。而目前对于以上所述问题，并没有相关文献或资料提出过很好的解决方案。对于三维天线计划增益的存储问题依然困扰着对3D-MIM0进行研究的技术人员。
[0007]而目前大部分天线使用的是半波偶极天线，以竖直倾斜角为Y的和竖直倾斜角- Y的两根天线为一个天线单元组的形式，均匀排布在一条直线上或一个平面上或一个椭球面上。因此，可以把天线分成竖直倾斜角为Y的和竖直倾斜角-Y两类，同一类天线的极化增益具有很多共同特性，而目前很少有文献对该特性加以利用。
【发明内容】
[0008]为解决3D-MM0中巨大的三维极化增益数据的存储难题，本发明根据半波偶极天线的共同特性，发明一种联合存储计划增益的方法，该方法对3D-MM0中天线系统的三维极化增益的存储数据进行了分类和简化，达到减小存储总量的目的，以减小存储器的开销。
[0009]本发明采用的天线为:以一根竖直倾斜角为Y的天线和一根竖直倾斜角-Y的天线组成一个半波偶极天线单元组，多个天线单元组组成一个天线阵列。建立全局坐标系(Global Coordinate System, GCS),将一个天线的福射平面竖直面向正东方放置，以正南方为X轴，以正东方为Y轴，垂直于水平面为Z轴，以天线的中心点为原点，其中，GCS代表的物理意义为确定一个全局统一的参考系，用于确定电磁波波束的方位角和仰角，以便于通信系统间的一致性，0°≤Y≤90°，-90°≤ 0°。
[0010]本发明的具体步骤如下:
[0011]S1、对所有天线组进行分类，具体为:按照天线竖直角度分为第一类天线和第二类天线，其中，第一类天线为竖直倾斜角为Y的天线，第二类天线为竖直倾斜角为-Y的天线.[0012]S2、分别计算两类天线在立体空间中的三维极化增益，所述极化增益包括垂直极化增益和水平极化增益，具体为:
[0013]第一类天线的垂直极化增益为
【权利要求】
1.一种3D-MM0天线极化增益的联合存储方法，其特征在于，包括以下步骤: S1、对所有天线组进行分类，具体为:按照天线竖直角度分为第一类天线和第二类天线，其中，第一类天线为竖直倾斜角为Y的天线，第二类天线为竖直倾斜角为-Y的天线； S2、分别计算两类天线在立体空间中的三维极化增益，所述极化增益包括垂直极化增益和水平极化增益，具体为: 第一类天线的垂直极化增益为
2.根据权利要求1所述的一种3D-MM0天线极化增益的联合存储方法，其特征在于:S2所述三维极化增益具体为:一束电磁波波束对天线进行辐射，所述电磁波波束的方位角为Φ，倾角为Θ，其中，电磁波波束的方位角和电磁波波束的仰角的确定方法为:在所述电磁波波束上选取一点P，确定点P在空间直角坐标系中的极化坐标为P(r，Φ, Θ)，r为到原点的距离。
3.根据权利要求1所述的一种3D-MM0天线极化增益的联合存储方法，其特征在于:S71所述将GCS中的方位角Φ GCS和仰角Θ GCS旋转到ECS中的方位角Φ ECS和仰角Θ ECS具体过程如下:根据Rot中的Rotmay,把GCS旋转变化为ACS，然后再根据Rot中的Rotelement把ACS旋转为ECS，之后读出电磁波波束在ECS中的方位角Φ ECS和仰角Θ ECSO
4.根据权利要求1所述的一种3D-MM0天线极化增益的联合存储方法，其特征在于:对于非视距传输的城市微小区场景，S8所述正整数N的取值为16。
5.根据权利要求1所述的一种3D-MM0天线极化增益的联合存储方法，其特征在于:天线阵列采用的是均匀平面型分布，则电磁波波束在所述均匀平面型天线阵列中的每个天线单元组中的ECS方位角ΦΕα和仰角ΘΕΚ都相同，每个天线阵列只需要存储一个动态存储器 的值。
【文档编号】G06F17/50GK103984836SQ201410239298
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】罗辑, 张驰, 孙韬, 罗配良, 张忠培 申请人:电子科技大学