一种基于传播图理论的多波束信道建模方法

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于传播图理论的多波束信道建模方法。

背景技术：

2019年，5g商用牌照将发放我国正式进入商用元年。作为5g中的关键技术之一，多输入多输出(mimo)技术在有限带宽情况下，通过利用空间资源可大幅度提高数据速率，大大提高了频带利用率，因而吸引了学术界和工业界的广泛关注。mimo技术对容量提升的作用主要与其信道传播特性有关，因此，准确并有效地建立反映真实信道特性的mimo信道仿真模型，对于mimo系统模型的优化、后续的信号处理算法以及评价系统性能等方面显得尤为重要。波束赋形一种是基于mimo天线阵列的信号预处理技术，其依据电磁波的干涉原理，通过按照一定的规律调整天线阵列的阵元的参数，能够产生强方向性的辐射方向图。则能形成指向特定方向的极强或者某些方向的极弱波束，从而实现加强有用信号同时抑制干扰的目的。

当今，无线信道模型可分为两大类：经验模型和确定性模型。经验模型主要是通过大量的实测数据统计出参数的整体变化趋势，如描述大尺度衰落的双斜率路径损耗模型、刻画小尺度衰落的基于几何的随机随机模型。作为大量统计的经验模型，经验模型具有较广泛的应用场景，但是其难以准确地刻画出特定场景下的电波传播特性。而确定性信道建模模型是恰好能弥补经验模型的缺陷。

典型的确定性信道建模理论如基于射线追踪的时域信道建模理论和基于传播图的频域信道建模理论。其中，传播图信道建模理论将无线电波在传播过程中所遇到的反射体、散射体以及传播等物理现象建模为计算机科学中的顶点与边的关系，结合频域传递函数的级联特性，得到整个过程的频域信道传递函数。传播图理论在表征无线电波的散射现象具有较好的效果。与其他的确定性信道建模方法(基于射线跟踪的方法、fdtd)等相比，该方法具有计算量小、结果准确、适用性广的特点。

但是，传播图信道建模理论是以射线理论为基础，且各个射线间是彼此独立，不存在干涉现象，无法实现波束赋形。将多天线间的传播信号是独立处理的，并未考虑天线的间的相关性导致的波束赋形。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种基于传播图理论的多波束信道建模方法，用于解决现有传播图信道建模理论不兼容波束赋形的，无法对多天线场景下的信道进行准确建模的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于传播图理论的多波束信道建模方法，包括：

根据收发天线阵列的参数，获得收发天线阵列的波束指向和收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益；

根据收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益，修正传播边的传播增益；

根据障碍物尺寸和位置、障碍物与收发天线阵元的位置关系，利用传播图信道建模理论建立多波束信道模型，获得收发天线阵列的传输函数。

优选地，根据收发天线阵列的参数，获得收发天线阵列的波束指向和收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益包括：

设收发天线阵列各有和道波束，该和道波束的指向方向分别为和获得发射端天线阵列的每个波束的在角度ω^tx的增益为接收端天线阵列的每个波束在角度ω^rx上的增益为式中，上标tx,rx分别表示发射端和接收端，上标dir表示波束指向，t,r分别表示收发端波束的序号，θ和φ表示波束相对于天线阵列的方位角和水平角；

设某道波束由二维均匀平面天线阵列生成，将该道波束在某个角度的增益转换为

g(θ,φ)＝g0(θ,φ)*f(1)；

式(1)中g0(θ,φ)表示在该角度上的单天线增益，f表示天线因子，可具体表示为：

式(2)中，j为虚数，θ0和φ0表示波束指向对应的方位角和水平角，m,n分别表示沿天线阵列横纵轴方向上的阵元数目，k表示波数，dx,dy分别表示横纵轴方向上相邻两个阵元间的距离，im,n表示横轴第m个纵轴第n个天线上的权重系数。

优选地，获得发射端天线阵列的每个波束的在角度ω^tx的增益为包括：

基于多道波束的影响在角度域的线性可加性，结合式(1)和(2)，获得发射端天线阵列在某个角度ω^tx＝(θ^tx,φ^tx)上的多波束增益

以及接收端天线阵列在某个角度ω^rx上的多波束增益

优选地，根据收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益，修正传播边的传播增益包括：

根据传播图理论，构建点集合v和边集合e；其中点集合分为发射点集合vt、散射点集合vs和接收点集合vr。边集合e分为发射点至接收点的边集合ed、发射点至散射点的边集合et、散射点至散射点的边集合es和散射点至接收点的边集合er；设任意边e，其对应的频域传输函数为

式中，τe表示传播时延，为相位随机变量，其均匀分布在[0,2π)，ge表示路径传播增益；

对于散射点集合vs，通过网格状散射点表示散射物体，设两个相邻散射点间的距离为c/b，其中c是光速，b是系统带宽；

设两个散射点间的欧式距离满足

dth,min≤||ri-rj||≤dth,max(6)；

其中dth,min和dth,max表示两个距离阈值，ri和rj表示从坐标系原点至散射点i和j对应的矢量；

根据障碍物的移动性，将散射点集合划分为一个静态离散点集合和多个动态离散点集合

对于动态散射点，根据障碍物的凹凸性，确定出电波在其内部发生有限次散射；

根据传播图信道建模理论，边的传输函数如式(5)所示，且每类边的传输增益ge为

其中f表示频率，对于e∈et,er，表示发射点到散射点集合的平均传播时延，其中|·|表示集合的势，表示调整因子，g表示散射点增益因子，odi(e)表示与一个散射点到其他散射点的边数；

根据式(10)，将与发射点集合和接收点集合相关的传播边修正为

其中ω^tx和ω^rx分别表示传播边与发射/接收天线阵列所呈的角度。

优选地，根据障碍物尺寸和位置、障碍物与收发天线阵元的位置关系，利用传播图信道建模理论建立多波束信道模型，获得收发天线阵列的传输函数包括：

收发天线阵列的传输函数包括发射端至接收端传输函数矩阵d(t,f)、发射端至散射点传输函数τ(t,f)、散射点之间传输函数b(t,f)和散射点至接收端传输函数r(t,f)；发射端至接收端传输函数矩阵d(t,f)、发射端至散射点传输函数τ(t,f)和散射点至接收端传输函数r(t,f)受到g^tx(ω^tx)和g^rx(ω^rx)的影响；

当波束在静态散射点集合内部发生无穷次散射时，设发射端经散射点至接收端的信道传输函数其计算公式为

式中，矩阵下标表示矩阵的维度；

当波束在m个动态散射点集合内部分别发生有限次的散射时，设发射端经散射点至接收端的信道传输函数矩阵为

式中表示第i个动态离散散射点集合内的散射点数目，nt和nr分别表示发射点集合和接收点集合中的元素个数，即发射、接收天线的数目；

系统总的传输函数为发射端至接收端发射端经静态离散散射点集合至接收端以及发射端经多个动态离散散射点集合至接收端三者传输函数之和，获得

将式(9)中的矩阵的每一个元素均表示一条边的传输函数。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于传播图理论的多波束信道建模方法，包括：收发端为天线阵列，通过控制每个天线单元信号的相位或者权重可产生的多个波束；产生的每个波束具有一定的指向特性，且具有一定的宽度；由于多波束叠加的影响，天线阵列增益在各个角度上具有选择性；利用传播图信道建模理论构建散射点集合时，散射点间的最小距离需大于多径分辨率；根据障碍物的移动性，将散射点集合分为一个静态离散散射点集合和若干个动态离散散射点集合；电波在静态离散散射点集合内发生无穷次散射，在动态离散散射点集合内发生有限次散射；与发射端相关的传播边会受到发端波束的影响；与接收端相关的传播边会受到收端波束的影响；给出每种类型边的传播函数；最终系统传输函数为三部分之和：即发射端→接收端的视距传输函数、发射端→静态散射点(无穷次反射)→接收点的传输函数、发射点→动态散射点(有限次反射)→接收点的传输函数。该方法一方面考虑天线阵列产生的波束的影响，另一方面考虑了动态/静态离散散射点集合对传输函数的不同影响，弥补了现有传播图信道建模理论中未考虑波束赋形的缺陷，提高了信道建模的准确性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于传播图理论的多波束信道建模方法的处理流程图；

图2为本发明提供的一种基于传播图理论的多波束信道建模方法中基于传播图理论的多波束信道建模示意图；

图3为不同类型传输函数示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

参见图1，本发明提供一种基于传播图理论的多波束信道建模方法，主要研究一种具有波束赋形能力的传播图信道建模方法，包括如下步骤：

根据收发天线阵列的参数，获得收发天线阵列的波束指向和收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益；

根据收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益，修正传播边的传播增益；

根据障碍物尺寸和位置、障碍物与收发天线阵元的位置关系，利用传播图信道建模理论建立多波束信道模型，获得收发天线阵列的传输函数。

在本发明提供的实施例中，收发端采用多天线阵列，通过控制每个阵元信号的相位或者权重，来生成多个指向性的波束。

进一步的，由于每道波束具有一定的指向性和宽度，导致天线阵列增益在角度上呈现出选择性，靠近波束中心角度增益较大，而远离波束中心的角度增益较小。因此，在一些优选实施例中，上述第二个步骤具体包括：

如图2所示，设收发天线阵列各有和道波束，该和道波束的指向方向分别为和获得发射端天线阵列的每个波束的在角度ω^tx的增益为接收端天线阵列的每个波束在角度ω^rx上的增益为式中，上标tx,rx分别表示发射端和接收端，上标dir表示波束指向，t,r分别表示收发端波束的序号，θ和φ表示波束相对于天线阵列的方位角和水平角，θ和φ表示波束相对于天线阵列的方位角和水平角；

上述的和可通过天线数目、阵元间的距离、波束指方向所决定；

设某道波束有二维平面天线阵列生成，将该道波束在某个角度的增益转换为

g(θ,φ)＝g0(θ,φ)*af(1)；

式(1)中g0(θ,φ)表示在该角度上的单天线增益，f表示天线因子，可具体表示为：

式(2)中，j为虚数，θ0和φ0表示波束指向对应的方位角和水平角，m,n分别表示沿天线阵列横纵轴方向上的阵元数目，k表示波数，dx,dy分别表示横纵轴方向上相邻两个阵元间的距离，im,n表示横轴第m个纵轴第n个天线上的权重系数。

进一步的，由于多道波束的影响在角度域是线性可加的，因此可结合式(1)至(5)，获得发射端天线阵列在某个角度ω^tx＝(θ^tx,φ^tx)上的多波束增益

以及接收端天线阵列在某个角度ω^rx上的多波束增益

在本发明提供的优选实施例中，采用传播图信道建模理论进行频域信道建模时，该理论将发射端、接收端、散射物体抽象为图论中的点，将点与点之间的边视为电波传播路径，且每个边均对应相应的频域传输函数。具体的，上述根据收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益，修正传播边的传播增益的子步骤具体包括如下过程：

根据传播图理论，构建点集合v和边集合ε；其中点集合分为发射点集合vt、散射点集合vs和接收点集合vr。边集合e分为发射点至接收点的边集合ed、发射点至散射点的边集合et、散射点至散射点的边集合es和散射点至接收点的边集合er；；对于任意边e，其对应的频域传输函数可表示为：

其中，τe表示传播时延，为相位随机变量，其均匀分布在[0,2π)，ge表示路径传播增益；

在用散射点表示散射物体时，采用网格状散射点，一个散射点代表散射面上一小部分区域中的所有散射点，且两个相邻散射点间的距离为c/b，其中c是光速，b是系统带宽；

波束在散射点内部发生散射时，仅有部分链路可以发生；当且仅当两个散射点间为视距可达，且欧式距离满足：

dth,min≤||ri-rj||≤dth,max(6)，其中dth,min和dth,max是两个阈值，ri和rj表示从坐标系原点至散射点i和j对应的矢量；

如图3所示，将散射点集合分为两类：一个静态离散点集合和若干个动态离散点集合其中电波在静态离散散射点集合内发生无穷次散射，而在动态离散散射点集合内发生有限次散射；

根据传播图信道建模理论，边的传输函数如式(5)所示，且每类边的传输增益ge为

其中f表示频率，对于e∈εt,εr，表示发射点到散射点集合的平均传播时延，其中|·|表示集合的势，作为一个整体表示调整因子，g表示散射点增益因子，odi(e)表示与一个散射点到其他散射点的边数。

更进一步的，根据式(10)，将与发射点集合和接收点集合相关的传播边修正为

其中ω^tx和ω^rx分别表示传播边与发射/接收天线阵列所呈的角度。

在本发明提供的优选实施例中，根据障碍物尺寸和位置、障碍物与收发天线阵元的位置关系，获得传播图信道建模理论的传输函数包含四部分：发射端→接收端传输函数矩阵d(t,f)、发射端→散射点传输函数τ(t,f)，散射点→散射点传输函数b(t,f)，散射点→接收端传输函数r(t,f)；其中发射端→接收端传输函数矩阵d(t,f)、发射端→散射点传输函数τ(t,f)、散射点→接收端传输函数r(t,f)均会受到天线阵列所生成波束g^tx(ω^tx)和g^rx(ω^rx)的影响。

当电波在静态散射点集合内部会发生无穷次的散射时，发射端→散射点→接收端的信道传输函数其计算公式为

当波束在m个动态散射点集合内部分别发生有限次的散射，其发射端→散射点→接收端的信道传输函数矩阵为m个传输函数的叠加，即可表示为：

其中表示第i个动态离散散射点集合内的散射点数目，nt和nr分别表示发射点集合和接收点集合中的元素个数，即发射、接收天线的数目；

系统总的传输函数为发射端→接收端发射端→静态离散散射点集合→接收端发射端→若干个动态态离散散射点集合→接收端三部分传输函数之和，可表示为：

式(9)中的矩阵的每一个元素均表示一条边的传输函数。

综上所述，本发明提供了一种基于传播图理论的多波束信道建模方法，包括：收发端为天线阵列，通过控制每个天线单元信号的相位或者权重可产生的多个波束；产生的每个波束具有一定的指向特性，且具有一定的宽度；由于多波束叠加的影响，天线阵列增益在各个角度上具有选择性；利用传播图信道建模理论构建散射点集合时，散射点间的最小距离需大于多径分辨率；根据障碍物的移动性，将散射点集合分为一个静态离散散射点集合和若干个动态离散散射点集合；电波在静态离散散射点集合内发生无穷次散射，在动态离散散射点集合内发生有限次散射；与发射端相关的传播边会受到发端波束的影响；与接收端相关的传播边会受到收端波束的影响；给出每种类型边的传播函数；最终系统传输函数为三部分之和：即发射端→接收端的视距传输函数、发射端→静态散射点(无穷次反射)→接收点的传输函数、发射点→动态散射点(有限次反射)→接收点的传输函数。本发明提供的方法，通过求出收发端天线阵列在各个角度上的增益来修正与收发端相关的传播路径增益，同时考虑到障碍物的移动性，将散射物分为静态离散散射点集合和动态离散散射点集合，并对两种不同的散射点集合考虑不同的散射次数，来构建基于传播图理论的多波束信道模型；弥补了现有传播图信道建模理论中未考虑波束赋形的缺陷，提高了信道建模的准确性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。