专利名称：用户设备双天线信道建模方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种用户设备双天线信道建模方法。
背景技术：
目前，3GPP以及Winner采用的信道模型(例如，SCM、SCME)，均是准物理模型，因为该模型中散射体的物理空间位置是不确定的，因此，信道建模方法主要基于空间信道收发两端所定义散射体的出/入射平面村量波的散射统计信息。其所得到的信道模型虽然理论上可支持任意拓扑结构的天线单元和阵列，但在，在实际应用中，该标准化信道模型所考虑的只是一种理想化的、脱离实际使用的均匀直线天线阵(ULA)模型。以该均匀直线天线阵模型来评价多天线系统性能，则将导致较大偏差，无法满足LTE和超三代(B3G)无线链路性能准确仿真和评估的需要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用户设备双天线信道建模方法，以至少解决上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种用户设备双天线信道建模方法，该方法包括将包含散射体的用户设备双天线电磁系统作为一个包括两个路端口和一个场端口的三端口网络，确定场端口到各个路端口的信道传输参数；获取两个路端口间的S参数以及两个路端口的负载反射参数；根据信道传输参数、场端口的散射参数、源等效电压，以及场端口与激励源的反射系数参数，确定场端口与空间信道的耦合系数；根据场端口与空间信道的所述耦合系数、两个路端口之间的S参数、两个路端口的负载反射参数以及信道传输参数，确定两个路端口的接收功率；根据两个路端口的接收功率以及源等效电压，确定用户设备双天线信道模型。
进一步地，确定场端口到各个路端口的信道传输参数包括根据近场散射体的散射系数、各个路端口与近场散射体的相互耦合参数、双天线的电压增益方向图，确定场端口到各个路端口的信道传输参数。
进一步地，获取两个路端口间的S参数包括获取散射体的散射系数Гσ，以及两个路端口中第i个路端口与散射体的相互耦合参数Sσi和Siσ，其中，i＝1，2；按照以下公式确定路端口间的S参数Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22 其中，S11、S12、S21和S22为不包含散射体的用户设备双天线的两个路端口之间的S参数。
进一步地，按照以下公式确定场端口与空间信道的耦合系数A0、A1和A2 A0＝(1-sσ33Гg)-1vg A1＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ31 A2＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ32 其中，Sσ13为场端口到两个路端口中的一个路端口的信道传输参数，Sσ23为场端口到另一个路端口的信道传输参数，Sσ33为场端口的散射参数，vg为源等效电压，Гg为场端口与激励源的反射系数参数。
进一步地，按照以下公式确定两个路端口的接收功率bσ1和bσ2 其中，aσ1和aσ2为两个路端口的入射波电压，Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22为两个路端口间的S参数。
进一步地，用户设备双天线源阻抗匹配，且散射体/用户设备双天线的近场耦合效应与散射体/远场的遮挡效应彼此独立，则 Гg＝0 A0＝vg，A1＝0，A2＝0； 用户设备双天线输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，则当和时， aσ1＝vgSσ13、aσ2＝vgSσ23； 其中，Sσ13为场端口到两个路端口中的一个路端口的信道传输参数，Sσ23为场端口到另一个路端口的信道传输参数，A0、A1和A2为场端口与空间信道的耦合系数，vg为源等效电压，Гg为场端口与激励源的反射系数参数。
进一步地，按照以下公式确定场端口到两个路端口的信道传输参数Sσ13和Sσ23 其中，
和
为双天线1和2的电压增益方向图，
和
为天线1和2的空间坐标矢量，Φ1(ΩR)、Φ2(ΩR)为双天线1和2的相位方向图。ΩR为来波入射角，
为空间极化信道归一化传输系数。
进一步地，按照以下公式确定所述用户设备双天线信道模型Hσ 进一步地，上述散射体包括人体。
通过本发明，将含近场散射体(包括人体)信息的UE双天线电磁系统考虑成为一个由两个天线路端口和一个天线场端口构成的三端口网络，并将UE天线近场散射体考虑成为无源逆散射体，该散射体与三端口网络的三个端口同时相互作用，还将场端口网路建立在位于UE天线远场的虚球面上，该场端口与无线空间信道发生相互作用，从而使得本发明所得到的模型包含了UE双天线及其近场散射信道的电磁信息。并且，利用本发明的建模方法，对环境要求低、简便易行，建模的精度适中。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中 图1为本发明实施例中移动终端双天线电磁仿真的物理模型； 图2为本发明实施例中模拟图1的物理模型的三端口网络示意图； 图3为根据本发明实施例的用户设备双天线信道建模方法的流程图； 图4为本发明实施例中的Fr4 PCB板元件1的结构示意图； 图5为实施例移动终端多天线电磁仿真模型； 图6为实施例移动终端多天线物理参数的结构示意图； 图7为天线信道模型的一种三维增益方向结果图； 图8为天线信道模型的另一种三维增益方向结果图。
具体实施例方式 下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明实施例中，在进行用户设备双天线信道建模时，将需要进行建模的物理模型即含近场散射体(包括人体)信息的UE双天线电磁系统作为一个包括两个天线路端口和一个天线场端口的三端口网络；而将UE天线近场散射体作为无源逆散射体，该散射体与三端口网络的三个端口同时相互作用；并且，将场端口网路建立在位于UE天线远场的虚球面上，该场端口与无线空间信道发生相互作用。
例如，图1包含人体的用户设备双天线的物理模型，在本发明实施例中，将该物理模型模拟为如图2所示的三端口网络，如图2所示，用散射体模拟图1中的人体，在图2中，
为第一路端口的入射波，
为第一路端口的出射波，
为第二路端口的入射波，
为第二路端口的出射波，而
为场端口的入射波，
为场端口的出射波。
图3为根据本发明实施例的用户设备双天线信道建模方法的流程图，如图3所示，主要包括以下步骤(步骤S302-步骤S310) 步骤S302，确定场端口到各个路端口的信道传输参数； 在具体实施过程中，可以基于近场散射体的散射系数Гσ、天线第i(i＝1，2)路端口与散射体的相互耦合参数Sσi和Siσ以及双天线的电压增益方向图
和
确定含电磁散射体条件下的场路端口传输参数(Sσ13和Sσ23)。
步骤S304，获取两个路端口间的S参数以及两个路端口的负载反射参数； 在本发明实施例中，天线路端口间的S参数(Sσ11、Sσ12、Sσ21、Sσ22)，表征了本地双天线间的电磁耦合效应，获取到路端口间的S参数即得到天线互耦模型，联合双天线两个路端口的负载反射参数(Гl1和Гl2)，可以反应出天线的路-路端口(指天线-接收机)的耦合效应，从而得到天线对负载的牵引效应模型。
在具体实施过程中，可以通过测试或电磁计算获取散射体的散射系数Гσ，以及两个路端口中第i个路端口与散射体的相互耦合参数Sσi和Siσ，其中，i＝1，2，然后可以按照以下公式确定两个路端口间的S参数Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22 其中，S11、S12、S21和S22为不包含散射体的用户设备双天线的两个路端口之间的S参数。
步骤S306，根据场路端口间的信道传输参数、场端口的散射参数、源等效电压，以及场端口与激励源的反射系数参数，确定场端口与空间信道的耦合系数； 根据场端口与空间信道的耦合系数，可以构建UE双天线对源的推挽效应模型。在本发明实施例中，采用天线场端口到路端口的信道传输参数(Sσ13和Sσ23)、场端口散射参数(Sσ33)以及场端口与激励源(指天线与空间电磁波)反射系数参数(Гg)参量，得到天线场端口与空间信道的耦合关系(A0、A1、A2)，建立起天线场端口对空间电磁信道的推挽效应模型。
具体地，可以通过以下公式得到天线场端口与空间信道的耦合关系(A0、A1、A2) A0＝(1-sσ33Гg)-1vg (2) A1＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ31(3) A2＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ32(4) 步骤S308，根据场端口与空间信道的耦合系数、两个路端口之间的S参数、两个路端口的负载反射参数以及场路端口间的信道传输参数，确定两个路端口的接收功率； 在具体实施过程中，两个路端口的接收功率bσ1和bσ2可以通过以下公式确定 其中，aσ1和aσ2为两个路端口的入射波电压，Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22为两个路端口间的S参数。
在具体应用中，可以将用户设备双天线设置为源阻抗匹配(即天线产生的场与空间电磁波在虚球面上匹配)，则有 Гg＝0 (6)， 并且，如果散射体/天线的近场耦合效应与散射体/远场的遮挡效应彼此独立，则有 A0＝vg，A1＝0，A2＝0，(7) 在具体应用中，还可以进一步将天线输出阻抗与负载阻抗设置为共额匹配(即天线输入阻抗与负载阻抗共额匹配)，则当和时，有aσ1＝vgSσ13、aσ2＝vgSσ23，并且两个路端口(路端口1和路端口2)接收电压为 在上述情况下，场路端口间的信道传输系数可以通过以下公式确定 其中，
和
为双天线1和2的电压增益方向图，
和
为天线1和2的空间坐标矢量，Φ1(ΩR)、Φ2(ΩR)为双天线1和2的相位方向图。ΩR为来波入射角，
为空间极化信道归一化传输系数。
步骤S310，根据两个路端口的接收功率以及源等效电压，确定用户设备双天线信道模型。
在步骤S310中将建立UE双天线信道模型，具体地，可以按照以下公式确定UE双天线信道模型 需要说明的是，上述UE双天线三端口网路S参数、天线与散射体的耦合参数、天线三维增益参数以及负载、源匹配参数，均可以通过实测或者电磁计算精确得到。
根据本发明实施例提出的含近场散射体信息的UE双天线信道建模方法，所得到的模型包含了UE双天线及其近场散射信道的电磁信息。同时，该建模方法对环境要求低、简便易行，并且，建模的精度适中，可以满足实际的需求。
下面以图1所示的移动终端双天线电磁物理模型为例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
(一)天线模型 A.物理组成 在本发明实施例中，如图1所示，天线物理模型主要包括以下5个部分 (1)人头模型0 如图1所示，人头模型0是一个沿Z轴向倾斜45度的标准化模型，其介电常数为43.0。
(2)Fr4 PCB板元件1 如图4所示，Fr4 PCB板元件1为一个长为Lpcb＝63mm、宽为Wpcb＝30mm、厚为Hpcb＝1mm双面PCB结构，中间为εr＝4.2的Fr4介质。其中PCB左、右上角去掉上下层铜皮Lpcb1＝3mm、宽为Wpcb1＝7mm。
(3)天线元件2 如图5所示，两个天线几何尺寸相同，分别为天线元件2-1和天线元件2-1；它们的间距Want＝16mm，其中lp＝66.0mm，wp＝30.0mm，hp＝2.0mm，ha＝2.0mm，w1＝0.5mm，w2＝1.0mm，w3＝5.0mm，w4＝3.0mm，w5＝6.0mm，l1＝14.0mm，l2＝1.0mm，l3＝16.0mm，l4＝1.0mm，金属过孔直径phi＝0.3mm，εr＝4.2. B.各主要组成部分的连接关系 天线元件2安装在Fr4 PCB板元件1顶部，馈电点位于B区。
如图6所示，天线元件2与Fr4 PCB板元件1所构成的坐标原点距离人头模型右耳中心点的最小距离为5mm，沿45度向后脑部倾斜。
(二)电磁性能 通过电磁仿真或者实测，确定UE双天线含散射体时的有源天线单元三维增益方向图，图7为频率为0.92GHz，phi＝90度，seta极化空间的情况下，通过电磁仿真或实测得到的有源天线单元三维增益方向图，图8为频率为2.0GHz，phi＝90度，seta极化空间的情况下，过电磁仿真或实测得到的有源天线单元三维增益方向图，根据(13)和(14)式，可以得到两个路端口的信道传输参数(Sσ13和Sσ23)。设计源阻抗匹配，有Гg≈0，并且散射体/天线的近场耦合效应与散射体/远场的遮挡效应彼此独立，得到天线场端口与信道的耦合系数A0＝vg，A1≈0，A2≈0； 根据UE双天线路端口S参数(Sσ11、Sσ12、Sσ21、Sσ22)以及两个路端口负载反射系数参数(Гl1和Гl2)电磁仿真或者实测值，由(5)确定bσ矩阵如下 (三)双天线信道模型 为了描述简单，可假设无线信道为自由空间信道，即其中
为θ方向、φ方向的单位极化矢量，T为矩阵转置算符，则(9)和(10)可简化表示为
其中，G1，θ、G1，φ分别为天线1的θ、φ分量的电压增益方向图；G2，θ、G2，φ分别为天线2的θ、φ分量的电压增益方向图。
本实施例中，由于天线物理结构的对称性，有G1，θ＝G2，θ，G1，φ＝G2，φ， Φ1，θ＝Φ2，θ，Φ1，φ＝Φ2，φ，从而有Sσ13＝Sσ23，Sσ12＝Sσ21，Sσ11＝Sσ22。
根据场端口与信道的耦合系数(A0)以及场路端口传输参数(Sσ13和Sσ23)，即由电磁仿真结果(表1、表2)，代入(13)式、(14)式得到bσ矩阵。将bσ矩阵代入(11)式，得到UE双天线信道系数矩阵。
以上步骤确定的均是计算双天线信道模型需要的参数，在本发明实施例对各步执行的顺序不加以限定。
需要说明的是，优选实施例假设源阻抗匹配，虽然这里是以仿真参数为例，但是本发明的方法还可以广泛地应用于仿真或者测试等任何需要模拟UE双天线效应的场合。
使用本发明实施例推导出的模型(11)是一个简单的解析表示式，具有易于编程实现的优点。
从以上的描述中，可以看出，在本发明实施例中，通过将含近场散射体(包括人体)信息的UE双天线电磁系统考虑成为一个由两个天线路端口和一个天线场端口构成的三端口网络，对UE双天线信道进行建模，使得本发明所得到的模型包含了UE双天线及其近场散射信道的电磁信息。并且，利用本发明的建模方法，对环境要求低、简便易行，建模的精度适中。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用户设备双天线信道建模方法，其特征在于，将包含散射体的用户设备双天线电磁系统作为一个包括两个路端口和一个场端口的三端口网络，所述方法包括
确定所述场端口到各个路端口的信道传输参数；获取两个所述路端口间的S参数以及两个所述路端口的负载反射参数；
根据所述信道传输参数、所述场端口的散射参数、源等效电压，以及所述场端口与激励源的反射系数参数，确定所述场端口与空间信道的耦合系数；
根据所述场端口与空间信道的所述耦合系数、两个所述路端口之间的S参数、两个所述路端口的负载反射参数以及所述信道传输参数，确定两个所述路端口的接收功率；
根据两个所述路端口的接收功率以及所述源等效电压，确定用户设备双天线信道模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述场端口到各个路端口的信道传输参数包括
根据所述近场散射体的散射系数、各个所述路端口与所述近场散射体的相互耦合参数、双天线的电压增益方向图，确定所述场端口到各个所述路端口的信道传输参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取两个所述路端口间的S参数包括
获取所述散射体的散射系数Гσ，以及两个所述路端口中第i个路端口与所述散射体的相互耦合参数Sσi和Siσ，其中，i＝1，2；
按照以下公式确定所述路端口间的S参数Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22
其中，S11、S12、S21和S22为不包含散射体的
用户设备双天线的两个路端口之间的S参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式确定所述场端口与空间信道的耦合系数A0、A1和A2
A0＝(1-sσ33Гg)-1vg
A1＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ31
A2＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ32
其中，Sσ13为所述场端口到两个所述路端口中的一个路端口的信道传输参数，Sσ23为所述场端口到另一个路端口的信道传输参数，Sσ33为所述场端口的散射参数，vg为源等效电压，Гg为所述场端口与激励源的反射系数参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式确定两个所述路端口的接收功率bσ1和bσ2
其中，aσ1和aσ2为两个所述路端口的入射波电压，Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22为两个所述路端口间的S参数。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述用户设备双天线源阻抗匹配，且所述散射体/用户设备双天线的近场耦合效应与所述散射体/远场的遮挡效应彼此独立，则
Гg＝0
A0＝vg，A1＝0，A2＝0；
所述用户设备双天线输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，则当和时，
aσ1＝vgSσ13、aσ2＝vgSσ23；
其中，Sσ13为所述场端口到两个所述路端口中的一个路端口的信道传输参数，Sσ23为所述场端口到另一个路端口的信道传输参数，A0、A1和A2为所述场端口与空间信道的耦合系数，vg为源等效电压，Гg为所述场端口与激励源的反射系数参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按照以下公式确定所述场端口到两个所述路端口的信道传输参数Sσ13和Sσ23
其中，
和
为双天线1和2的电压增益方向图，
和
为天线1和2的空间坐标矢量，Φ1(ΩR)、Φ2(ΩR)为双天线1和2的相位方向图。ΩR为来波入射角，
为空间极化信道归一化传输系数。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按照以下公式确定所述用户设备双天线信道模型Hσ
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述散射体包括人体。
全文摘要
本发明公开了一种用户设备双天线信道建模方法，该方法包括将包含散射体的用户设备双天线电磁系统作为一个包括两个路端口和一个场端口的三端口网络，确定场端口到各个路端口的信道传输参数；获取两个路端口间的S参数以及两个路端口的负载反射参数；根据信道传输参数、场端口的散射参数、源等效电压，以及场端口与激励源的反射系数参数，确定场端口与空间信道的耦合系数；根据场端口与空间信道的所述耦合系数、两个路端口之间的S参数、两个路端口的负载反射参数以及信道传输参数，确定两个路端口的接收功率；根据两个路端口的接收功率以及源等效电压，确定用户设备双天线信道模型。
文档编号H04W16/18GK101808337SQ20101014045
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者彭宏利, 谢玉堂, 黄旭 申请人:中兴通讯股份有限公司