一种高空平台mimo通信系统三维信道建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高空平台MMO通信系统三维信道建模方法。
【背景技术】
[0002] 正在发展中的高空平台，其高度介于地面和各种通信卫星之间。它利用良好的电 波传输特性，通过平台实现地面用户之间、平台之间或平台与卫星之间的通信连接，具有布 局灵活、应用广泛、成本低廉、安全可靠等优点。由高空平台构成的信息系统将是新一代的 无线通信系统，它融合了陆地和卫星通信系统的优势，又不同程度地避免了两者的缺点，在 通信领域的应用得到广泛认同，是现有通信方式的有效补充。高空平台MIMO通信兼具卫星 通信和地面通信的优点，又融合了MIMO系统高容量的特点，因此是学术研宄的热点问题。
[0003] 在非各向同性散射环境中的二维MMO信道模型已经被提出，但这种模型假定无 线电波传播仅在水平方向。因为高空平台被放置在平流层并且移动用户的位置常比周围的 散射体低，所以电磁波可能会在水平和垂直平面上行进，而二维MMO信道模型不能准确的 描述高空平台MMO通信系统信道。
[0004] 为了满足现在或未来通信系统具有更高数据速率的不断需求，人们积极研宄了多 天线系统并成功应用于新兴的宽带无线接入网络。在研宄过程中，信道容量是评估信道性 能的重要指标之一。MIMO技术最主要的优点之一为它可以在不消耗额外的功率和带宽的前 提下，使系统容量成倍增加。同时，研宄也表明，无线信道之间的空间相关性高，导致信道容 量低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决二维MMO信道模型不能准确的描述高空平台MMO通信 系统信道以及无线信道之间的空间相关性高，导致信道容量低的问题，而提出了高空平台 MMO通信系统三维信道建模方法。
[0006] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 步骤一、制备链路p-1和链路q_m的输入时延扩展函数；
[0008] 步骤二、对步骤一中制备的链路p-1的输入时延扩展函数和链路q_m的输入时延 扩展函数进行傅里叶变换，得到链路P-I的时变传输函数Tpl (t，f)和链路q_m的时变传输 函数Ttpi(Lf);
[0009] 步骤三、在步骤二中得到的链路p-1的时变传输函数Tpl (t，f)和链路q_m的时变 传输函数Ttp (t，f)的基础上，求出链路p-1的时变传输函数Tpl (t，f)和链路q-m的时变传 输数Ttpi(t,f)之间的空时频相关函数；
[0010] 步骤四、在步骤三中得到的空时频相关函数的基础上，计算信道容量。
[0011] 发明效果
[0012] 采用本发明的高空平台MMO通信系统三维信道模型，本发明在二维MMO通信 系统信道模型的基础上引入仰角分量，设计一种可以描述仰角对信道特性的影响的模型。 具体实现方法是基于三维双同心圆柱几何模型，结合信道的统计模型，建立一个高空平台 MIMO通信系统三维信道模型，将围绕在地面移动站周围的固定散射体分布在双同心圆柱模 型的两圆柱之间的空间内，散射体的空间位置及信号的到达角服从合理的统计分布，根据 视距（LOS)与非视距（NLOS)信道，分别建立两种信道条件下的模型，这样的设计与实际信 道情况相符，且在信道函数的推导过程中起到简化计算的作用；基于此模型的参数，推导输 入时延扩展函数以准确的描述高空平台MIMO通信系统信道，以及通过改变仰角参量以优 化信道，得到随仰角增大，空间相关性显著降低的结果，证明了在莱斯因子很小的情况下， 满足不相关的高空平台站天线间距分别为IOm和18m左右，这证明在单一飞行器上应用 MIMO技术是可行的；通过增大高空平台站仰角的方法，能准确的描述高空平台MIMO通信系 统信道，降低空间相关性，提高信道容量；仰角增大10°，可使使空间相关性降低了 37%， 信道容量提高了 5%。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明流程图；
[0014] 图2为【具体实施方式】二和实施例1中本发明的2X2HAP-MM0信道LOS传输路径 的三维模型图；
[0015] 图3为【具体实施方式】二和实施例1中本发明的2X2HAP-MM0信道NLOS传输路径 的三维模型图；
[0016] 图4为实施例1中本发明的高空平台站仰角对HAP-MMO空间相关性的影响图；
[0017] 图5为实施例1中本发明的高空平台站仰角对HAP-MMO信道容量的影响图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0018] 一：结合图1说明本实施方式，高空平台MMO通信系统三维信道建 模方法具体是按照以下步骤进行的：
[0019] 步骤一、制备链路P-I和链路q-m的输入时延扩展函数；
[0020] 步骤二、对步骤一中制备的链路P-I的输入时延扩展函数和链路q-m的输入时延 扩展函数进行傅里叶变换，得到链路P-I的时变传输函数T pl (t，f)和链路q-m的时变传输 函数 Ttpi(Lf);
[0021] 步骤三、在步骤二中得到的链路P-I的时变传输函数Tpl (t，f)和链路q-m的时变 传输函数Ttp (t，f)的基础上，求出链路p-1的时变传输函数Tpl (t，f)和链路q-m的时变传 输数Ttpi(t, f)之间的空时频相关函数；
[0022] 步骤四、在步骤三中得到的空时频相关函数的基础上，计算信道容量。
【具体实施方式】 [0023] 二：本实施方式与一不同的是：所述步骤一中制备链 路P-I和链路q-m的输入时延扩展函数；具体过程为：
[0024] 基于高空平台的通信信道的一般形式是莱斯信道，
[0025] 设在高空平台站有nT根输入天线，在移动地面站有nK根接收天线，所有天线都是 匹配的、全向的，1彡P彡q彡nT，l彡ISm彡n K，p为高空平台站的第p根输入天线，q为 高空平台站的第q根输入天线，1为移动地面站的第1根接收天线，m为移动地面站的第m 根接收天线；
[0026] 将高空平台站的第p根输入天线到移动地面站的第1根接收天线之间的链路用 P-I表示；依据三维模型，链路P-I的输入时延扩展函数为LOS和NLOS分量的叠加，表达式 如下：
上分布的随机变量且与g(n)、《^、i4B)、//f和成独立，^ 1为第n个散射体直 射量的到达角，af为第n个散射体直射量的离开角，为第n个散射体在x-y平面的 投影到〇'的距离，=，仄d(a，b)表示a、b两点间的距离，其中 第n个散射体用S(n)表示，它在x-y平面上的投影点是，0'为移动地面站在x-y平面 上的投影点，R s，min为散射体在x-y平面的投影到0'的最小距离，，Rs max 为散射体在x-y平面的投影到〇'的最大距离，、=Iiiaxbrhwf为第n个散射体的 高度，以§(")，W)=对)e[巧扉，Fs輝]，Hs，min为散射体最小高度，馬麵=min {蹲〇 }， Hs，max为散射体最大高度，乂 为第n个散射体相对〇1；的仰角是 ? arctan("丨"V /^)，Ok为移动地面站天线阵元素m和1的中点，提出的几何模型 可以确定戌B)的最小值为0 arctan (Hl/U，和最大值为0 S，M产arctan (Hs，_/ Rs，min);
[0031] Kpl为P-I子信道的莱斯因子LOS与NLOS接收功率的比值，Dpl为P-I子信道的 发送功率，e为自然对数的底数，j为虚数单位，hpl^s(t，T)为p-1子信道的输入时延扩展 函数LOS分量；hpl，_s (t，T )为p-1子信道的输入时延扩展函数NLOS分量；N为移动地面 站周围的固定散射体的数量且N ⑴:为NL0s子信道相位信息的复指数；T ^为 波束在LOS链路上的传输时延；为波束在NLOS链路上的传输时延；T为时延变量，S 为狄拉克S函数；G⑴为LOS链路相位信息的复指数，p为正整数，1为正整数；
[0032]其中，
[0046] fT，max= v T/ A和fR，max= v R/ A分别为高空平台站和移动地面站的最大多普勒频 移；
[0047] 式中，t为时间变量，d(p，1)为天线p与天线1间距离，d(p，S (n))为天线p与第n 个散射体间距离，d(S(n), 1)为第n个散射体与与天线1间距离，D为0和0'间的距离，0为 多和夺的中点，多为高空平台站天线P在x-y平面上的投影点，夺:为高空平台站天线阵元素 q在x-y平面上的投影点，|3 T为高空平台站相对〇!；的仰角，|3 T~arctan(HT/D)，HT为高空 平台站天线阵的高度，d(0, 0T) = HT，Ot为高空平台站天线p和q的中点，f T，max为高空平台 站的最大多普勒频移，Cs为P-I子信道的直射路径到达方位角，Yt为高空平台站运动方 向，为移动地面站的最大多普勒频移，Y K为移动地面站运动方向，5 T为高空平台站上 相邻两天线之间的距离，9 T为高空平台站天线阵列在x_y平面内（相对于X轴的方向）的 方位角，nT为高空平台站的天线数目，n K为高空平台站的天线数目，S K为移动地面站上相 邻两天线之间的距离，0K为移动地面站天线阵列在x-y平面内（相对于X轴的方向）的方 位角，1]^为移动地面站中的天线相对于x-y平面的仰角，v T为高空平台站的运动速度，入 为波长，Vk为移动地面站的运动速度；
[0048] 由图2知，若HT> > H K，传输时延从高空平台站向移动地面站，即最小传输时延 为：
[0049] tLOS=T min^D/(c 0COS^t)⑵
[0050] 式中，cQ是光速；T 为波束在LOS链路上的传输时延；T min为最小传输时延； %为高空平台站天线阵的高度；HkS移动地面站天线阵的高度，d(0, 0K) =Hk，则散射体 在双同心圆柱中所占体积的高为Hc= H s，眶-? min;假设WnUr } ? D，4 ， ht?{hr,h{：}}-,
[0051] 由图3知，若Hs，max< &l