专利名称：三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及三维传播环境中的极化多天线通信信道，可用于 对极化多天线通信系统的研究。
背景技术：
为了适应未来移动通信系统高速率数据传输和节省无线资源的需要，多天线输入 多天线输出(MIMO)技术近年来得到广泛研究和应用。为了降低MIMO系统中天线间的相 关性，或在有限的尺寸内放置更多的天线，可以利用天线极化方式的不同来实现MIMO天线 阵列中天线间的隔离。精确的极化MIMO信道模型是极化MIMO系统研究的基础和关键。现有的应用较为广泛的包含天线极化特性的MIMO信道模型有3GPP SCM模型 与WINNER组织提出的WIM信道模型等。在SCM模型中只考虑了电磁波在二维水平面上的 传播，而没有考虑三维的传播过程对信道特性的影响；在WIM模型中虽然加入了对三维传 播环境的描述，但该模型结构复杂，不适合用于进行理论分析。
发明内容
技术问题本发明的目的在于克服以上已有极化MIMO信道模型的不足，提出一 种三维传播环境中极化MIMO信道模型的构建方法，使其既适用于仿真分析，又适用于理论 分析。技术方案本发明具体实现步骤包括如下
1. 一种三维传播环境中极化多天线信道模型的构建方法，其特 征在于该方法包括如下步骤1)定义两组坐标系，发送端原始坐标系
C^rf和基于发送天线的坐标系cis_fe_，所有的离开角以及发送天线的放置角度定义 是在C相麵中的，而C1 二纖-細站 为用于计算电磁波极化方向的辅助坐标系；对于以任意角 度放置的发送天线，通过坐标系旋转的方法，使坐标系ClLs^teai中的^轴与该发送天线 的轴向一致，在坐标系4一中计算得到电磁波的场矢量后，再通过坐标系旋转的逆 过程计算得到场矢量在原始坐标系C^sfll中的矢量表示，从而得到以任意角度摆放的天线 所激励的在任意出射角度下的电磁波S^)的场矢量，并将该电磁波的场强在垂直于电磁波 传播方向的平面中投影到C^rf的子午平面的β方向和赤道平面的$方向上；
2)按重新定义的0方向到接收端原始坐标系C^isfls赤道平面的穸方向的极化鉴别率 迎 和P方向到接收端原始坐标系C^M子午平面的tf万向的极化鉴别率，按 矢量投影分解得到发生散射后的电磁波y ￠^)在新的0和ψ两个方向上的场强；3)定义两组坐标系，接收端原始坐标系C^^和基于接收天线的坐标系，
所有的到达角以及接收天线的放置角度是定义在C^rf中的，而C^y—为用于计算电 磁波极化方向的辅助坐标系；通过与步骤1)中相同的坐标系旋转的方法，计算得到以任意 角度放置的接收天线上接收到的散射后电磁波？( )的场强；
4)依据来自文献或实测得到的经验概率分布，生成每一个散射体所对应的三维到达 角、离开角，依照构建步骤1) 步骤3)得到其对应的接收场强，由接收场强得到基于每个 散射体的散射系数的模值；
5)依据经验概率分布生成基于每一个散射体的散射和传播过程引入的随机相移，得到 基于每个散射体的散射系数的相位；
6)对于每一收发天线对，将所有散射体所对应的散射系数与天线阵列间距引入的固定 相移项相乘后叠加，得到极化多天线系统的信道矩阵；
至此就得到了极化多天线系统的信道矩阵，完成了极化多天线信道模型的构建。在信道模型的构建步骤1)和步骤3)中分别定义了两组坐标系，原始坐标系
cIigrf、c^girf禾口基于天线的坐标系C^Mc-toai、CSssHc-tefli ；在原始坐标系C二—中，Zlx 轴方向为大地平面的法向方向，％r轴方向为发送天线阵列宽边方向，.Jfe轴方向为按照右 手系准则通过Zj2轴和断轴所确定的方向；在原始坐标系C^rf中，^^轴方向为大地平 面的法向方向， 轴方向为接收天线阵列宽边方向，少1轴方向为按照右手系准则通过 k轴和^^轴所确定的方向；在基于天线的坐标系中，轴为发送天线轴向 方向，轴为发送天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转^ifITi角度后所处的 方向，I 为发送天线轴向与坐标系中-轴方向的夹角，&轴方向为按照右手系 准则通过轴和^iz轴所确定的方向；在基于天线的坐标系Ciui^中，轴为接收天 线轴向方向，4轴为接收天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转θ碰角度后 所处的方向，Al为接收天线轴向与坐标系C^im中^^轴方向的夹角，>4^轴方向为按 照右手系准则通过轴和轴所确定的方向。构建步骤1)和构建步骤3)中所述的坐标系旋转方法为在构建步骤1)中，首 先，将原始坐标系C^m中的坐标轴Xjx7i^s绕其^轴方向旋转角度^ifflf ,得到一组中
间坐标轴4^)4 ^ ;然后将此中间坐标轴&^4 绕其Jfe轴旋转角度得到坐标系
中的坐标轴；其中为天线在坐标系C^irf中的角度表
示，^fs为发送天线轴向与坐标系C^jrf中^^轴方向的夹角，φ·为发送天线轴向与坐
标系中Xiz轴方向的夹角；在构建步骤3)中，首先，将原始坐标系中的坐标绕其2轴方向旋转角度，得到一组中间坐标轴4^^ ^ ；然后将此中间 坐标轴太》欣绕其轴旋转角度emsz得到坐标系( —沾中的坐标轴； 其中^jsf,^sijs)为接收天线在坐标中的角度表示，为接收天线轴向与坐 标系C^jsai中Zsk轴方向的夹角，φ^組为接收天线轴向与坐标系C二磁中Xj2r轴方向的夹构建步骤2)中定义了 4万向到岁方向的极化鉴别率和识方向到伊方向的
ρρ
极化鉴别率^pn ,该定义由以下两式表示M‘_=f，^ y = f ;其中π表示
由散射前2方向转换到散射后的5方向上的电磁能量，其中2为5或伊，5为伊或铲。对所有收发天线对重复上述过程后，完成信道模型的构建；本过程可采用一种紧 凑的矩阵形式表示。有益效果
(1) 本发明通过坐标系旋转的方法，可以方便地得到在三维传播空间中任意入射或 出射方向上的电磁波在以任意角度摆放的天线上的场强投影。(2) 本发明对极化电磁波在三维空间中的传播进行了建模。通过将极化鉴别率 重新定义为亚 和通喊的形式，使得利用本模型对极化MIMO信道进行数学分析变得 简便可行。(3) 本发明中的信道模型可写为紧凑的矩阵形式，使其既适用于仿真分析，也 适用于理论分析。
图1为本发明中信道模型构建流程图； 图2为本发明中坐标轴旋转方式示意图3为本发明中对极化电磁波在三维空间中的传播描述示意图。
具体实施例方式参考图1，本发明构建三维传播环境中的极化MIMO信道模型步骤如下
(1)通过坐标系旋转的方法，计算得到以任意角度摆放的天线所激励的在任意出射角
度下的电磁波(用s⑷表示)的场矢量，并将该电磁波的场强在垂直于电磁波传播方向的平
面中投影到相互垂直的6和识两个方向上； 坐标系旋转方法描述如下
首先，将原始坐标系Cll^中的坐标轴Xixjszjx绕其~轴方向旋转角度钩《 ,得到 一组中间坐标轴；然后将此中间坐标轴1 绕其>“轴旋转角度氏tfH得到 坐标系Chimei中的坐标轴。其中Ψ^γχ)为天线在坐标系C二中的角度表示。旋转过程如图2所示。两组坐标系下坐标变换方法如下
权利要求
1.一种三维传播环境中极化多天线信道模型的构建方法，其特征在于该方法包括如下 步骤1)定义两组坐标系，发送端原始坐标系和基于发送天线的坐标系，所 有的离开角以及发送天线的放置角度定义是在CH-中的，而为用于计算电磁波 极化方向的辅助坐标系；对于以任意角度放置的发送天线，通过坐标系旋转的方法，使坐标 系C=—中的Z ‘ τχ轴与该发送天线的轴向一致，在坐标系中计算得到电磁波 的场矢量后，再通过坐标系旋转的逆过程计算得到场矢量在原始坐标系C^g中的矢量表 示，从而得到以任意角度摆放的天线所激励的在任意出射角度下的电磁波S(t)的场矢量， 并将该电磁波的场强在垂直于电磁波传播方向的平面中投影到C^-的子午平面的θ方 向和赤道平面的识方向上；2)按重新定义的θ方向到接收端原始坐标系C^.-赤道平面的γ方向的极化鉴别率 方向到接收端原始坐标系子午平面的Θ'方向的极化鉴别率，按矢量投影分解得到发生散射后的电磁波s' (t)在新的θ ‘和￠/两个方向上的场强；3)定义两组坐标系，接收端原始坐标系C=-和基于接收天线的坐标系，所 有的到达角以及接收天线的放置角度是定义在的，而为用于计算电磁波 极化方向的辅助坐标系；通过与步骤1)中相同的坐标系旋转的方法，计算得到以任意角度 放置的接收天线上接收到的散射后电磁波s' (t)的场强；4)依据来自文献或实测得到的经验概率分布，生成每一个散射体所对应的三维到达 角、离开角，依照构建步骤1) 步骤3)得到其对应的接收场强，由接收场强得到基于每个 散射体的散射系数的模值；5)依据经验概率分布生成基于每一个散射体的散射和传播过程引入的随机相移，得到 基于每个散射体的散射系数的相位；6)对于每一收发天线对，将所有散射体所对应的散射系数与天线阵列间距引入的固定 相移项相乘后叠加，得到极化多天线系统的信道矩阵；至此就得到了极化多天线系统的信道矩阵，完成了极化多天线信道模型的构建。
2.根据权利要求1所述的三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法，其 特征在于在信道模型的构建步骤1)和步骤3)中分别定义了两组坐标系，原始坐标系 c^-、c〖i_和基于天线的坐标系Wd、在原始坐标系冲， 轴 方向为大地平面的法向方向， 轴方向为发送天线阵列宽边方向，yTX轴方向为按照右手系 准则通过χτχ轴和ζτχ轴所确定的方向；在原始坐标系中，ζκχ轴方向为大地平面的法 向方向，Xkx轴方向为接收天线阵列宽边方向，yKX轴方向为按照右手系准则通过Xkx轴和Zkx 轴所确定的方向；在基于天线的坐标系中，ζ' τχ轴为发送天线轴向方向，X' ^轴 为发送天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转9antTX角度后所处的方向，eantTX 为发送天线轴向与坐标系C^g中^轴方向的夹角，y' ^轴方向为按照右手系准则通过 χ' τχ轴和Ζ' τχ轴所确定的方向；在基于天线的坐标系C=—中，ζ' κχ轴为接收天线 轴向方向，Χ' κχ轴为接收天线轴向在水平面内的投影在该投影面内向下旋转Qantl 角度后 所处的方向，9antKX为接收天线轴向与坐标系C^.-中^轴方向的夹角，y' κχ轴方向为按照右手系准则通过Χ' κχ轴和ζ' κχ轴所确定的方向。
3.根据权利要求1所述的三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法，其特征 在于构建步骤1)和构建步骤3)中所述的坐标系旋转方法为在构建步骤1)中，首先，将 原始坐标系中的坐标轴^^τχζτχ绕其ζτχ轴方向旋转角度，得到一组中间坐标轴 χ" τχΥ' τχζτχ;然后将此中间坐标轴χ" TXy' τχζτχ绕其y' τχ轴旋转角度emtTX得到坐标 系中的坐标轴Χ' τχΥ' τχζ' ^;其中(^^，礼*)为天线在坐标系〔二^中的角 度表示，θ antTX为发送天线轴向与坐标系CH-中Ztx轴方向的夹角，％‘为发送天线轴向 与坐标系轴方向的夹角；在构建步骤3)中，首先，将原始坐标系C^.-中的坐 标轴xKXyKXzKX绕其ζ轴方向旋转角度％ —，得到一组中间坐标轴χ" EXy' κχζκχ ；然后将此 中间坐标轴χ" EXy' 绕其y' κχ轴旋转角度9antKX得到坐标系中的坐标轴 X Exy EXz ‘κχ ；其中(&■，％ ■)为接收天线在坐标系〔二^中的角度表示，eantKX为接收 天线轴向与坐标系中^轴方向的夹角，皿为接收天线轴向与坐标系中^轴 方向的夹角。
4.根据权利要求1所述的三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法，其特征 在于构建步骤2)中定义了 θ方向到￠/方向的极化鉴别率夂ΡΑ^^Π^方向到Θ ‘方向的极化鉴别率γρη 该定义由以下两式表示-.xpiK, = ^f-'XPD9ff =》；其中Pab表示由散射前A方向转换到散射后的B方向上的电磁能量，其中A为θ或…B为θ ‘或一。
全文摘要
本发明公开了一种三维传播环境中极化多天线信道模型的构建方法，主要解决现有的一些三维多天线信道模型复杂度较高，不适于进行数学分析，不易获得极化信道特性的问题。此模型通过坐标系旋转计算得到任意角度的天线激励的任意出射角度的电磁波场矢量，投影到与传播方向相垂直的和方向上；按新定义的极化鉴别率计算散射后的和方向上的场强；再旋转坐标系计算得到任意角度的接收天线上的场强；依据经验分布生成每个散射体所对应的三维到达角、离开角和随机相移。对于每对收发天线，将所有散射体的散射系数与天线阵固定相移项相乘后叠加，得到信道矩阵。本发明具有计算简单，使用灵活，对物理传播过程描述全面的优点，可用于理论分析或系统链路仿真。
文档编号H04B17/00GK102064864SQ20101059615
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者王珏, 赵嘉宁, 高西奇 申请人:东南大学