一种3dmimo信道建模的方法

文档序号:9790679
一种3d mimo信道建模的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域,具体设及一种3D MIMO信道建模的方法。
【背景技术】
[0002] MIMO技术的核屯、优势在于对空间资源的有效利用,原本是无线通信中缺点的多径 效应,在MIMO系统中却成为提高容量的有利因素。MIMO信道中多天线之间的隔离度使得系 统的大容量成为可能,如果信道相关性很低,MIMO信道就可W分为多条并行的子信道,各个 子信道就相当于一个传统的单入单出无线通信信道。对于一个完全不相关的MIMO信道,其 容量提升的倍数就是天线数目。由此可W看出,容量增益很大程度上依赖于传输环境是否 有丰富的多径因素,W此获得较低的信道相关性。
[0003] 信道H对整个通信系统传输性能的好坏有着重要的影响,因此如何精确地获得实 时的信道系数是通信系统仿真中至为关键的一项工作。电磁波的传播受到天线参数、载频、 用户和基站位置、移动速度W及散射体分布等多种因素的影响,运使得无线信道具有很大 的不可预见性,因此也就增加了信道建模的复杂度和难度。
[0004] 信道建模和仿真是无线新系统链路级和系统级仿真非常重要的研究领域。 C0ST259是首个提出无线信道空间框架的模型,奠定了MIMO信道建模的基础。3GPP SCM (Spatial Qiannel Model)模型、SCME(Spatial 化annel Model Extended)模型和WIN肥R 模型在此基础上降低了仿真复杂度,加大信道带宽和逐步完善测试场景。上述模型基于电 波仅在水平面传播的假设均为二维(2D)模型。为了提高信道仿真的准确性,同时考虑电波 在垂直面传播的影响,必须将2D-MIM0扩展到S维(3D)信道模型,提出新的3D MIMO信道建 模方法。

【发明内容】

[000引为了解决现有技术存在的上述问题,本发明提供了一种3D MIMO信道建模的方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案为:
[0007] -种3DMIM0信道建模方法,其改进之处在于:所述方法包括
[0008] (1)确定仿真的场景和网络布局,根据场景和统计的相关性计算出大尺度参数;
[0009] (2)根据大尺度参数和概率密度函数结合场景,依次生成各小尺度参数;
[0010] (3)计算出信道系数;
[0011] (4)根据计算结果更新小尺度参数建立漂移模型;
[0012] (5)根据漂移模型时间演进后建模。
[0013] 可选的,所述网络布局包括=个坐标系:全局坐标系、阵列坐标系和阵子坐标系; 各坐标系间统计的相关性通过坐标轴的相对旋转角度来表示;在建模时电磁波传播方向是 在全局坐标系坐标系中,天线的方向图表示是相对于阵子坐标系;根据坐标系之间的互相 转换关系,可W计算出电磁波在阵列坐标系坐标系中的归一化水平极化向量鸿ns和垂直极 化向量埃a。
[0014] 可选的,所述大尺度参数包括延迟扩展、水平离开角的角度扩展、水平到达角的角 度扩展、垂直离开角的角度扩展、垂直到达角的角度扩展、阴影衰落的标准差和莱斯K因子 的参数。
[0015] 可选的,所述步骤(3)包括根据生成的各小尺度参数,通过下述公式计算信道系 数:
[0017]其中,Frx,U,谢Frx,。>为接收天线单元U的垂直与水平天线方向图,Ftx,S,谢Ftx,3>是 发射单元S的垂直与水平天线方向图;,是接收端附近簇n的子径m在球坐标的单位向 量,吃W,,,。是发射端附近簇n的子径m在球坐标下的单位向量。
[0018] 可选的,所述步骤(4)包括建立坐标系,生成网络拓扑、终端路径和散射体,确定各 距离量与角度量的计算方法,通过更新每个快照的小尺度参数来建模。
[0019] 进一步的,所述小尺度参数包括非视距漂移参数和视距漂移参数;
[0020] 非视距漂移:基于初始到达角和路径时延计算簇散射体,第1条路径的总时延为: Ch = Ti . c+|r|,其中Ir I为发射机与接收机初始位置的距离;每条子径有不同的到达角 (6;,,,知运些角转换到笛卡尔坐标系可得
,移动台运动过程中Rx,Tx,MT满 足;角关系ar,l,m,s = al,m-er,s,其中矢量er,s是从接收机的初始位置指向在快照S时第r条路 径上的天线阵子,矢量Clr,1,",S是从接收机指向在快照S时第r条路径上的天线阵子;
[0021] 视距漂移:根据移动台位置的变化更新收发两端天线阵子的角度,
[0027] 其中,矢量;Tr,t,S是在快照S时从发射端天线阵子t指向接收端阵子r;相位和时延由 上式矢量计算得到。
[0028] 可选的,所述步骤巧)包括对簇散射体的生命周期建模,根据簇的变化规律确定多 个片段长度与多个片段间的重叠长度,通过更新每个快照的小尺度参数和重叠部分快照的 大尺度参数建模。
[0029] 本发明的有益效果为:
[0030] 1、时间演化:通过更新时延、出发角、到达角、极化、阴影衰落、K因子实现信道系数 的短期时间演化;
[0031] 2、场景转换:本发明支持相邻信道片段间的光滑过渡;
[0032] 3、移动终端速度可变;
[0033] 4、视距和非视距场景由共同的框架结构仿真,减少了模型复杂度并能自由地配置 多单元场景;
[0034] 5、用改进的方法计算大尺度参数:它扩展了位置图生成的算法,考虑了对角运动 方向并且创建了更平滑的输出;
[0035] 6、有修改天线结构图的新功能:天线图能在3D坐标系中自由旋转同时保持极化个 性。
【附图说明】
[0036]图1是本发明提供的GCS,ACS,ECS坐标系结构示意图;
[0037] 图2是本发明提供的室外路径损耗模型结构示意图;
[0038] 图3是本发明提供的室外到室内路径损耗模型结构示意图;
[0039] 图4是本发明提供的多链路传输结构示意图;
[0040] 图5是本发明提供的漂移模型结构示意图;
[0041 ]图6是本发明提供的一种3D MIMO信道建模方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0042] 如图6所示,本发明提供了一种3D MIMO信道建模方法,在3D MIMO信道模型中有S 个参考坐标系,各坐标系间的统计的相关性通过坐标轴的相对旋转角度来表示。在建模时 考虑的电磁波传播方向是在GCS坐标系中,而天线的方向图表示是相对于ECS的。根据坐标 系之间的互相转换关系,可W计算出电磁波在ECS坐标系中的归一化水平极化向量ifS和垂 直极化向量zfs。
[0043] 建模时由于散射体是移动的,首先定义信道的一个抽取(drop),在一个抽取中所 有参数都是固定的,除了子径的相位外。运样,可W认为在一个抽取内的移动是虚拟的,通 过子径旋转相位的叠加引起快速衰落和多普勒效应。
[0044] 本发明一种3D MIMO建模方法,具体步骤如下:
[0045] 步骤一:确定仿真的场景和网络布局,根据场景和统计的相关性计算出大尺度衰 落参数。
[0046] 如图1所示:在网络布局中,定义^个坐标系:全局坐标系(GCS,Global Coordinate System)、阵列坐标系(ACS,Array Coordinate System)、阵子坐标系化CS, Element Coordinate System);
[0047] 3DMIM0信道的大尺度参数主要有:延迟扩展(DS,Delay Spread),水平离开角 (A0D,Angle (^0邱班化的)的角度扩展,水平到达角(A0A,Angle Of Arrival)的角度扩展, 垂直离开角化OD ,ElevationAngle OfDepadure)的角度扩展,垂直到达角化OA, ElevationAngle OfArrival)的角度扩展,阴影衰落(SF,Siadow^ding)的标准差,莱斯K因 子化F,K化ctor)。
[0048] 步骤二:根据大尺度参数和概率密度函数,结合场景,依次生成各小尺度参数。
[0049] 对于向量在不同坐标系中的表示,可W通过坐标系间相应关系来进行转换计算。 假设ACS坐标系是相对于GCS坐标系的X,Y,Z轴分别旋转a,e,丫弧度得到的,定义旋转矢量 rot = [a,0, 丫],则在GCS中表示为v=[xo,yo,zo]T的矢量,在ACS中的表示如下:
[0050] V'= [x'o,y'o,z'o]T=T ? V;
[0051] 其中,转换矩阵T为:
[0053] 步骤计算出信道系数,根据仿真需求添加路径损耗和阴影衰落。
[
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