一种基于主成分分析的信道建模方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于主成分分析的信道建模方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 现有的无线通信技术和移动通信系统都具有一个重要的特征，能够对现行的无线 信道状况来适配其功能和参数性能，如现有的4G网络，基站侧会根据用户与基站之间的信 道状况自适应调整编码和调制方式，从而获得更好的传输效率和服务质量，因此对无线信 道进行较为准确的建模对于提高通信系统的性能具有重要的意义。
[0003] 现有的陆地无线传播模型主要采用统计模型，如下所示为较为通用的无线传播模 型：
[0004] Ploss = K1+K21 g ( d ) +K3 ( Hms ) +K4Ig ( Hms ) +K51 g ( Hef f ) +K61 g ( Hef f ) 1 g ( d ) +K7+Kclutter其中 Pioss为路径损耗，单位dB; Ki为与频率相关的常数;K2表示距离衰减常数，K3、K4移动台天线高 度修正系数;K 5、K6基站天线高度修正系数;K7为绕射修正系数;Kcdutter表示地物衰减修正系 数;d为基站与移动台之间的距离，单位Km;H ms、Heff分别表示移动台天线和基站天线的高度， 单位m〇
[0005] 如上所述的无线传播模型考虑了多种环境因素，但对多种因素独立考虑，忽略了 各种因素之间可能存在的相关联系，同时在实际传输环境中，信道的变化状况是随时间变 化的，而上述模型并不能很好体现信道的动态变化特性。
[0006] 5G网络为了满足各种场景的宽带接入需求，其各种通信设备会针对不同的场景进 行专门定制。因此，对不同场景下的信道模型会趋于精细化的方向发展，进而提高通信效 率。同时第五代移动通信(5G)标准推进组的计划里面提出了高速应用场景和一定程度的海 上宽带覆盖，可见5G网络将面对更为复杂的通信环境，因此，未来的信道模型考虑的因素将 不仅仅是上述传播模型所设计的环境因子，而是需要考虑更为复杂的环境因素，以及信道 的动态变化状况。
[0007]如海上无线传播模型与现有的陆地无线传播模型存在较大的差异。海上无线信道 除了常见的收发信机天线高度、收发信机距离、工作频段、带宽、雨雾衰减之外，还受海洋环 境影响，如海面粗糙程度、近海面的大气湿度和海水盐碱度等方面因素的影响。同时，海洋 环境无时无刻在变化。目前应用较多的海上无线损耗模型主要有双射线模型，其模型如下 所述：
[0008]
[0009]其中，λ表示发射信号的波长;d表示发射天线和接收天线的距离;ht、hr分别表示发 射天线和接收天线的高度，双射线模型是基于一个平稳海面的场景下推导出来的结果，显 然与现实存在较大的差距，同时由于海水波动造成的发射天线和接收天线高度的变化也无 法很好通过双射线模型来体现。
[0010] 将多种环境因素考虑进来时，信道模型的分析和建模将变得更为复杂和困难。如 果只是单纯考虑单个因素的作用会忽略环境因素之间的相关特性。其中影响信道的因素有 多个，假设影响信道状况的因素可以表示为X向量，Χ=( χ?，χ2, ···，&)，其中，第i个信道状况 影响因素为Xl。在陆地无线传播模型中，Xl被认为是相互独立的，但是在复杂的环境下， 间可能存在关联性，并且，如果独立看待^，当η非常大的时候，其模型的分析和建立是困难 的，同时精确度也会降低。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于满足未来无线信道模型精细化、动态化的要求，提供一种基于 主成分分析的信道建模方法和装置，能够在复杂环境中对信道进行快速地较为准确地估 计。
[0012] -种基于主成分分析的信道建模方法，包括以下步骤：
[0013] 1)在不同环境影响因素下对无线信道进行实地测量，保存数据测量结果Υ，同时对 每次测量的环境因素影响因子向量X进行量化，保存每次测量时的环境影响因子X;
[0014] 2)对在不同环境影响因素下实地测量的多个X样本求其均值向量μ，其中X=(Xl·， X2,…Xm)T，Xi= (Xil，Xi2，…叉化)表不第i次测量时的环境影响因子对应的值；
[0015] 3)对所得的样本数据X去均值化，得到去均值后的样本向量i , i表示环境因子 的平均统计特性，其中
；
[0016] 4)对f向量构建协方差矩阵Φ，其中
;
[0017] 5)求协方差矩阵Φ的特征值ki，及其对应的特征向量Wi，其中i = 1，2，…η;
[0018] 6)对所得的特征值ki从大到小排列，使得lu 2 k2 2…2 kn，ki的大小表示对应的主 成分对信道特征的贡献程度；
[0019] 7)确定累计贡献率
，当累计贡献率cp2p时，优选地取前p个特征向量W p =
[1，…，WP]，作为子空间的基，其中P为常数，一般取80% ;
[0020] 8)确定所提取的p个主成分为
，其中P<n，为较小的数值；
[0021 ]本发明中的较佳实施例中，所述步骤1)中包括对频率、距离、基站高度、移动台高 度、绕射修正、常见地物衰减修正因子和天气状况修正因子等环境影响因素进行测量的步 骤，其中量化的数值根据对应环境情况下的环境影响因子对信道的影响程度确定。
[0022] 本发明中的较佳实施例中，所述步骤8)之后还包括确定信道参数的步骤，即根据 所得的P个主成分确定环境影响因子对信道模型的影响程度，由相对应的主成分向量F快速 确定信道参数。
[0023] 本发明中的较佳实施例中，所述确定信道参数的步骤包括，对样本数据X求其对应 的主成分矩阵F，根据所得的主成分矩阵F与数据测量结果Y进行数据关系的映射，得到对应 的映射函数f，根据当前的环境参数X，由变换矩阵W P确定对应的主成分F，得到信道参数Y = f(F)oo
[0024] -种基于主成分分析的信道建模装置，一种基于主成分分析的信道建模装置，包 括获取单元、第一确定单元、第二确定单元、第三确定单元，所述获取单元、第一确定单元、 第二确定单元、第三确定单元之间用信号传输线连接，所述获取单元用于对环境参数进行 感应和量化从而确定环境影响因子X;所述第一确定单元用于接收所述环境影响因子X并完 成对信道参数的估计;所述第二确定单元用于对测量的数据进行主成分提取，提取出对应 的空间变换矩阵^和映射函数f;所述第三确定单元用于保存测量的环境样本数据、实测的 信道参数数据、变换矩阵W P和映射函数f。本发明中的较佳实施例中，所述第一确定单元是 根据变换矩阵WP、映射函数f和对应的环境影响因子X实现信道参数的估计。
[0025] 本发明中的较佳实施例中，所述第二确定单元进行主成分提取包括接收所述第一 确定单元保存的样本数据，通过主成分分析方法进行主成分提取后确定变换矩阵W P，而后 通过所求得的变换矩阵WP，确定样本数据的主成分矩阵F，同时根据数据测量结果Y进行数 据关系的映射，确定对应的映射函数f。
[0026] 本发明中的基于主成分分析的信道建模装置通过设置获取单元、第一确定单元、 第二确定单元、第三确定单元，利用获取单元对环境参数进行感应和量化从而确定环境影 响因子X，第一确定单元用于接收所述环境影响因子X并完成对信道参数的估计，第二确定 单元完成对测量的数据进行主成分提取，第三确定单元保存测量的环境样本数据和实测的 信道参数数据，本发明中的基于主成分分析的信道建模方法通过对主成分分析，主成分分 析是一种基于统计意义下的最小均方误差的特征提取方法，其所提取的新特征能维持大部 分本质信息，通过主成分分析，将影响信道的环境因素进行联合处理，降低了信道建模的复 杂度和难度，同时，主成分分析可以根据环境的动态反馈不断更新信道的特征，实现信道的 动态估计，该基于主成分分析的信道建模方法和装置能够在复杂环境下对影响无线信道的 环境因子进行主成分提取，将影响信道特征的多种环境因素压缩成几个主成分以计算不同 时刻的环境影响因子的主成分数值，实现动态地准确地信道参数快速估计。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的基于主成分分析的信道建模方法的实施例一的流程示意图；
[0028] 图2是本发明的基于主成分分析的信道建模装置的实施例一的结构示意图；
[0029] 图3是本发明中测量的环境因子与提取的主成分之间的相关载荷示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明做进一步的说明，
[0031] 本发明实施例所提供环境场景为海洋通信环境场景，本发明场景不仅局限于海洋 环境场景，还适用于其他复杂的陆地通信环境，此地仅起到示例作用，本发明实施例所提供 的方法为主成分分析方法，其相应的改进的类似方法也适用，在此仅起到示例作用。
[0032]根据现有的对海上无线信道进行实测的结果表明海上无线信道的情况相对复杂， 例如在不同的季节对同一地点进行测量，其信道参数存在一定程度的差别。同时海面波浪 的不确定性给信道的小尺度参数估计造成一定的困难。海上无线信道受到诸多环境因素的 影响，如季节因素、温度、海水的盐度和海面风速等。
[0033]如图1所示，该基于主成分分析的信道建模方法的步骤包括步骤S101对信道进行 实测、步骤S102对大量的X样本数据求其均值、步骤S103对其样本数据去均值、步骤S104对 去均值后的样本X求其协方差矩阵Φ、步骤S105对协方差矩阵Φ求其特征值ki其及对应的 特征向量Wi、步骤S106根据其特征值的贡献率大小提取p个主成分和步骤S107将对应的主 成分映射到对应的信道参数上，具体的方法步骤如下：
[0034]步骤S101，对信道进行实测，记录下每次测量的环境参数和实测的信道参数。
[0035] 具体的，由于海水盐度和季节因素等信息是相对不变的，在短时内取其均值，对海 水盐度信息和季节信息进行量化，将数据保存下来，每次进行测量时，记录每次发射机和接 收机的相对距离、海面风速和大气湿度信息。由于大气湿度信息随时间的变化相对较慢，可 以每隔一段时间更新一次，保存每次测量的环境影响因子X，同时保存每次信道测量的结 果，计算并保存每次测量的信道参数Y。
[0036] 对不同环境影响下的信道进行多次测量，每次测量把环境影响因子X和每次测量 的信道参数Y，将其保存到相应的数据库中。
[0037]步骤S102,对大量的X样本数据求其均值。
[0038] 具体的，对m组数据求其均值μ，其中m足够大，并且其样本数据具有代表性。其中μ __ 1 = (μι，μ2，μ3，μ4，μ5)，/? =-2-ιχ? ° 饥j=l
[0039] 步骤S103,对其样本数据去均值。
[0040]