一种非对称毫米波亚毫米波无线信道仿真方法

1.本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种非对称的毫米波和亚毫米波频段的无线信道仿真方法。


背景技术：

2.随着信息社会的不断发展，未来的后5g和6g移动通信系统将需要在数据速率、时延、覆盖能力等多个方面达到更高的要求。当前频率较低的频段资源几乎已经被各种通信业务占用而变得拥挤不堪，难以挖掘出可加以利用的频谱资源。而毫米波和亚毫米波频段具有超大的、连续可利用的带宽，能满足通信系统上百gbps的数据传输速率和百微秒级的时延需求。且毫米波和亚毫米波波长短，使得在基站侧或用户侧都可以在有限的空间内部署大规模的多输入多输出(multiple
‑
input
‑
multiple
‑
output，mimo)天线阵列。当前的大规模mimo移动通信中，绝大多数基站侧和移动台侧的多波束天线阵列采用对称结构进行设计。在对称结构中，同一侧的发射和接收通道数量相等，与之对应的接收和发送波束宽度以及增益也相同。但对称的收发阵列结构存在计算复杂度大，硬件成本高，能量功率消耗大等缺点，从而限制了高频通信的大范围部署和应用。
3.在非对称结构的阵列中，同一侧(基站侧和移动台侧)用于发送和接收的阵列规模不相等。采用较大规模的高增益波束发送阵列和较小规模的低增益波束接收阵列，在获得更高的系统容量和链路增益的同时，收发端也能更容易实现波束的动态跟踪和管理。在收发阵列不对称的情况下，即使是时分双工(time
‑
division duplex，tdd)系统，也不再满足上下行信道的互易性。但本质上，信道冲激响应由传播环境、收发波束宽度等因素决定，相似的传播环境使得上下行信道间仍存在一定相关性，不能简单地用两个独立的信道模型加以生成。如何在建模与仿真过程中，充分刻画这种相关性，并据此降低信道仿真过程的复杂度，目前仍存在较大难度。针非对称结构的对毫米波和亚毫米波频段的无线信道构建模型，形成流程化的建模方法，兼顾模型准确性和效率，对未来毫米波和亚毫米波移动通信系统的设计和部署具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明公开的一种非对称毫米波亚毫米波无线信道仿真方法，该方法解决了现有无线信道仿真技术尚未充分考虑传播环境非对称性的问题；解决了非对称毫米波亚毫米波上下行无线信道准确、高效的联合生成问题；解决了非对称的上下行信道之间不存在互易性，对称信道的仿真方法不能直接用于非对称信道的问题；能够应用于无线通信领域，为非对称毫米波亚毫米波通信系统设计、部署、优化提供理论与模型依据。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种非对称毫米波亚毫米波无线信道仿真方法，包括以下步骤：
7.步骤一、建立散射体模型，并通过筛选建立非对称有效散射体模型；
8.非对称散射体模型，其散射体在球面上的分布可建模为服从von mises
‑
fisher随
机分布。von mises
‑
fisher是一种应用于球上的方向随机分布，三维单位向量x分布在立体球面上，其von mises
‑
fisher概率密度函数表达式为：
9.f3(x；μ,ζ)＝c3(ζ)exp(ζμ
t
x)
ꢀꢀ
(1)
10.上式中，向量μ表示平均方向，满足||μ||＝1。ζ为聚集因子，且ζ≥0。c3(ζ)表示归一化常量，由下式给出：
[0011][0012]
在散射体球状分布的情况下，随机变量x由散射体的方位角θ和俯仰角φ构成：x＝[cosφcosθ,cosφsinθ,sinφ]。此外，向量μ＝[cosφ0cosθ0,cosφ0sinθ0,sinφ0]，这里的θ0，φ0分别为散射体的平均方位角和俯仰角。基站侧和移动台侧的散射体球状分布概率密度函数为：
[0013][0014]
有效散射体的生成过程包括以下步骤：
[0015]
1.选择传输侧u(u为基站侧t或移动台侧r，即u∈{t,r})，根据散射体球状分布概率密度函数，该侧共计n
u
个散射体中，生成的第i个(其中i∈{1,2,
…
,n
u
})散射体记为
[0016]
2.判断传输侧u的散射体是否在链路方向(为上行链路ul或下行链路dl，即的有效散射体内，即判断散射体所对应的水平方位角和垂直俯仰角是否满足：
[0017][0018]
其中和分别表示波束中心方向的水平方位角和垂直俯仰角，和分别表示在水平和垂直方向上的波束宽度。
[0019]
3.如果散射体在有效范围内，则记入对应的链路方向与传输侧u的有效散射体集合否则不计入；
[0020]
4.更改散射体i、链路方向与传输侧u，重复步骤1至3，直到所有散射体都被遍历，并得到对应的有效散射体集合
[0021]
步骤二、建立三维波束模型，将上行和下行的定向性波束分别建模为三维空间中的椎体形状；
[0022]
三维波束模型为水平方向上角度宽度为α，竖直方向上角度宽度为β的椎体。波束的中心方向用水平方位角θ
b
和垂直俯仰角φ
b
描述，因此可以将该波束表示为b(θ
b
,φ
b
,α,β)，其天线方向图可记为f(θ
b
,φ
b
)。使用该三维波束模型，可以得到天线增益
[0023]
步骤三、根据非对称有效散射体模型和三维波束模型，建立非对称毫米波亚毫米波信道的信道冲激响应。
[0024]
非对称毫米波亚毫米波信道的信道冲激响应，可由矩阵进行描述。其中中的p(p＝1,2,
…
,p)表示基站侧共p个天线阵元中的第p个天线阵元，其位置向量表示为q(q＝1,2,
…
,q)表示移动台侧共q个天线阵元中的第q个天线阵元，其位置向量表示为
[0025]
所有的几何关系可以统一在以o为原点的xyz直角坐标系中表示，因此满足位置向量其中o
t
和o
r
分别表示基站侧和移动台侧的散射体球心，移动台侧散射体分布的球体半径记为r
t
，移动台侧散射体分布的球半径记为r
r
，移动台与基站之间的水平距离记为d。
[0026]
由于移动台的移动，角度和位置向量均具有时变性，因此散射体位置向量可以表示为：
[0027][0028]
其中散射体表示基站侧的第i个散射体，该散射体相对于基站侧散射体球心o
t
的位置向量记为散射体表示移动台侧的第j个散射体，该散射体相对于移动台侧散射体球心o
r
的位置向量记为
[0029]
v
ms
表示移动台的移动速度矢量，t为瞬时时刻，则视距径路径向量可以表示为：
[0030][0031]
因此，从移动台侧散射体球心o
r
到基站侧散射体以及从基站侧散射体球心o
t
到移动台侧散射体的单跳路径向量表示为：
[0032][0033]
从基站侧散射体到移动台侧散射体的双跳路径向量表示为：
[0034][0035]
考虑到毫米波亚毫米波在非视距径条件下，每发生一次反射，都会产生数十db的漫散射损耗，因此在模型中对三次及更高次的反射忽略不计。由视距径，单跳，双跳分量叠加组成：
[0036][0037]
上式中k为莱斯因子，表示视距径的功率占总功率的比例。将所有的几何关系都统
一在以o为原点的xyz直角坐标系中表示。sb
u
(u∈{t,r})表示两种情况下的单跳，u＝t时单跳的散射体位于基站侧，u＝r时散射体位于移动台侧。分别表示方向上的从基站侧的第p个天线阵元到移动台侧第q个天线阵元的视距径、单跳和双跳分量的信道冲激响应函数。
[0038]
信道冲激响应函数的视距径、单跳和双跳分量中，均涉及到收发天线增益以及由于自由空间扩散和空气分子吸收效应电磁波信号所经历的衰减a(d)，可分别由下式计算得到：
[0039][0040][0041]
为基站侧第p个阵元的天线方向图，为移动台侧第q个阵元的天线方向图。d表示传播距离，k
f
表示空气吸收系数，主要由空气的成分组成决定，且随着信号频率f的变化而变化，c表示光速。
[0042]
对于视距径分量，可由以下步骤得出：
[0043]
1、收发天线增益可由(10)式计算得到，将d＝w
los
(t)代入(11)式可得到视距径下信号所经历的自由空间扩散和空气分子吸收带来的总衰减a
los
(t)。
[0044]
2、计算视距径下移动台相对于基站的多普勒频移：
[0045][0046]
其中为视距径向量w
los
(t)的单位向量；
[0047]
3、计算视距径下移动台相对于基站的时延：
[0048][0049]
其中w
los
(t)为视距径向量w
los
(t)的模；
[0050]
4、计算
[0051][0052]
其中为波数，φ
los
为视距径随机相位，在(0,2π]范围内均匀分布。
[0053]
对于单跳路径分量，可由以下步骤得出：
[0054]
1、根据(10)式计算天线增益将代入(11)式可得到有效散射体单跳所经历的自由空间扩散和空气分子吸收的总衰减其中标量和分别为向量和所对应的模长；
[0055]
2、计算单跳下移动台相对于基站的多普勒频移：
[0056][0057]
其中为单跳下径向量的单位向量；
[0058]
3、计算单跳下移动台相对于基站的时延：
[0059][0060]
4、计算单跳漫散射功率损耗χ
sb
；
[0061]
单跳及双跳漫散射功率损耗χ，可采用如下步骤计算。其中χ
sb
代表单跳漫散射功率损耗，χ
db
代表双跳漫散射功率损耗。
[0062]
计算单跳漫散射功率损耗χ
sb
。其中假设入射波以θ
in
入射到平面上，以入射点为原点，散射平面为xoy平面，建立三维直角坐标系，z轴为法线方向。入射波所在的平面称为入射面，入射角记为θ
in
，垂直方向出射角记为θ
out
，水平方向出射角假设这三个角均在一定角度范围内均匀分布，即：θ
in
～u(0,π/2)，θ
out
～u(0,π/2)和考虑信道中存在n
∈
种散射体，第∈(∈＝1,
…
,n
∈
)种散射体占总散射体的概率为p
∈
(满足)。其对应的粗糙表面均方根高度记为ρ
h,∈
，折射率记为n
t,∈
。将这n
∈
种散射体的粗糙表面均方根高度和折射率的期望值，作为所有散射体粗糙表面的平均特征，即根据θ
in
，θ
out
和之间的关系，χ
sb
分为反射和散射两种情况进行计算。
[0063]
①
对于反射的情况(θ
in
＝θ
out
且)，使用下式计算。其中瑞利粗糙因子记为ρ
r
，菲涅尔反射系数记为fr。
[0064][0065]
其中，瑞利粗糙因子ρ
r
和菲涅尔反射系数fr使用下式计算。
[0066][0067][0068]
②
对于散射的情况(θ
in
≠θ
out
或)，使用下式计算。其中散射损耗因子记为ρ
s
，菲涅尔反射系数记为fr。
[0069][0070]
5、计算
[0071][0072]
为单跳的随机相位，在(0,2π]范围内均匀分布；表示方向上u侧的有效散射体总数；分别为单跳路径向量对应的单位向量，后两者分别对应于从u侧的p天线到以及从到u侧的q天线的路径向量。
[0073]
对于双跳路径分量，可由以下步骤得出：
[0074]
1、天线增益可由(10)式计算得到，将代入(11)式可得到有效散射体和双跳对应的空气分子吸收效应导致的衰减其中为从到的径向量的模长；
[0075]
2、计算双跳下接收端的多普勒频移：
[0076][0077]
3、计算双跳下移动台相对于基站的时延；
[0078][0079]
4、双跳漫散射功率损耗χ
db
可近似为：
[0080]
χ
db
＝(χ
sb
)2ꢀꢀꢀ
(24)
[0081]
5、计算
[0082][0083]
为随机相位，在(0,2π]范围内均匀分布；表示基站侧和移动台侧的有效散射体总数；分别为对应的单位向量，后两者分别对应于从u侧的p天线到以及从到u侧的q天线的路径向量。
[0084]
有益效果：
[0085]
1、本发明充分考虑了信道分布环境呈现出非对称性的特点，设计了一种毫米波亚毫米波信道仿真方法，该方法能够生成非对称条件下的毫米波亚毫米波无线信道冲激响应和参数。
[0086]
2、本发明结合毫米波亚毫米波具有空气分子吸收和粗糙表面漫散射的传播特点，
分为视距径、单跳和双跳对上下行信道中每条多径的参数进行刻画，从而能够更为准确地实现对实际信道的模拟。
[0087]
3、本发明利用非对称条件下上下行信道的相关性，有效降低了生成信道参数和信道冲激响应的复杂度，从而增强了其在系统仿真验证应用中的实用性。
附图说明
[0088]
图1为本发明一种非对称毫米波亚毫米波室外信道仿真方法的流程图。
[0089]
图2为非对称毫米波亚毫米波室外信道模型几何关系图。
[0090]
图3为天线波束和对应的三维椎体模型示意图。
[0091]
图4为在默认波束宽度组合条件下非对称有效散射体的三维空间分布，其中(a)为基站侧，(b)为移动台侧。
[0092]
图5为非对称毫米波亚毫米波室外信道模型仿真下行功率角度谱三维空间分布，其中(a)为基站侧的分布情况，(b)为移动台侧的分布情况。
[0093]
图6为非对称毫米波亚毫米波室外信道模型仿真上行功率角度谱三维空间分布，其中(a)为基站侧的分布情况，(b)为移动台侧的分布情况。
[0094]
图7为非对称毫米波亚毫米波室外信道模型仿真上下行信道功率时延谱分布，其中(a)为下行信道分布情况，(b)为上行信道分布情况。
具体实施方式
[0095]
下面结合附图并举实施例，对本发明的一种非对称毫米波亚毫米波室外信道仿真方法进行详细描述。
[0096]
本发明提供的一种非对称毫米波亚毫米波室外信道仿真方法，可应用于室外场景下非对称的毫米波亚毫米波频段无线信道的建模、设计和优化中，对非对称移动通信系统在室外的大规模快速部署提供信道模型支撑。
[0097]
本发明提供的非对称毫米波亚毫米波室外信道仿真方法，其总的建模流程如图1所示。
[0098]
首先，建立三维波束模型，将上行和下行的定向性波束分别建模为三维空间中的椎体形状。天线波束和对应的三维椎体模型示意图如图3所示。仿真选取的默认波束宽度组合如表1所示。
[0099]
表1三维波束模型的默认波束宽度组合
[0100][0101]
本案例中在有效散射区域e
a
内的收发天线波束增益f(α,β)视为是相等的。因此对于水平角度宽度和垂直角度宽度分别为α,β的波束，其天线增益可由下式计算得出。
[0102][0103]
然后，建立散射体模型，并筛选建立非对称有效散射体模型。生成三维空间中散射体的von mises
‑
fisher分布在基站侧的参数设置为：ζ＝4,θ0＝0,φ0＝
‑
π/4，移动台侧的参数设置为：ζ＝2,θ0＝π,φ0＝π/8。基站侧散射体分布的球体半径r
t
＝40m，球上总的散射体数量设为n
t
＝100；移动台侧球半径为r
r
＝10m，散射体总数n
r
＝200。
[0104]
在默认波束宽度组合条件下根据散射体球状分布概率密度函数f3(x；μ,ζ)，可以得到非对称有效散射体三维空间分布，如图4所示。经过统计，上下行有效散射体个数分别为：
[0105]
可以看出，上下行信道波束宽度的不同，会导致上下行信道中有效散射体的数量存在显著差异，使得上下行信道不再具有互易性。
[0106]
最后，根据三维波束模型和非对称有效散射体模型，建立非对称毫米波亚毫米波信道的各个参数以及信道冲激响应。非对称毫米波亚毫米波室外信道模型几何关系图如图2所示。信道模型仿真中各个场景参数的具体设置为，基站与移动台之间的水平初始距离d＝70m，基站的高度h
t
＝50m，移动台的高度h
r
＝1.5m。仿真频率为f＝350ghz，自由空间传播环境，分子吸收系数k
f
＝0.00161m
‑1，莱斯因子取k＝30db。假设信道中主要考虑建筑外墙，树木，水泥地面三种散射体类型，每种散射体的占比p
∈
分别设为{0.6,0.2,0.2}，均方根表面高度ρ
h
分别设为{0.05,0.08,0.25}mm，折射率n
t,∈
分别为{2.5,1.3,2.1}。
[0107]
基站侧的天线阵列配置为p
x
×
p
z
＝12
×
12，移动台侧为q
x
×
q
z
＝3
×
3，阵元间距设为d＝λ/2。对于第(p
x
,p
z
)个天线阵元，其位置向量为：散射体的位置向量为其对应的单位向量为从p天线到的波出发方向视为与相同，因此：
[0108]
分别计算收发双方各天线阵元间非对称双向链路的信道参数，包括视距径、单跳径和双跳径的天线增益衰减a(d)、多普勒频移f
d
、径时延τ以及漫散射功率损耗χ等。根据各径的参数结果计算出视距径、单跳和双跳的信道冲激响应和进一步根据(9)式得到收发双方各天线阵元间非对称双向链路的信道冲激响应并由计算得到整个非对称信道的信道冲激响应矩阵
[0109]
由于上下行信道环境仍然存在一定的相关性，利用同一组信道参数支持同时生成上下行的信道参数和信道冲激响应函数，从而对信道做进一步的分析，可以提高建模效率，减小计算量。
[0110]
通过同时生成上下行非对称信道的角度功率谱分布和功率时延谱，可以验证该信道仿真方法的可行性。功率角度谱的计算方式为：
[0111][0112]
其中表示方向的信道中径的总数，按照在基站侧和移动台侧发生双跳的散射体簇之间采用一一匹配的规则，a
los
,a
sb
,a
db
分别为信道冲激响应中视距径分量、单跳路径分量和多跳路径分量对应的幅度信息。θ,φ分别为每条径对应的水平方位角和垂直方位角。
[0113]
功率时延谱的计算方式为：
[0114][0115]
其中，τ
los
为los径的时延，为单跳对应的时延，τ
j
为第j对双跳对应的时延。
[0116]
如图4所示，由于上下行信道环境包含了重叠的有效散射体，因此两者间仍存在一定的关联性，因此可以通过同一组信道参数同时生成上下行信道的信道冲激响应，并得到上下行功率角度谱的三维空间分布。在采用默认波束宽度组合的条件下，得到了与之对应的下行(如图5所示)和上行(如图6所示)功率角度谱三维空间分布图，其中图5(a)和图6(a)为基站侧，图5(b)和图6(b)为移动台侧。此外，同一次生成的下行(如图7(a)所示)和上行(如图7(b)所示)的信道功率时延谱分布。从图5、图6和图7中可看出，在基站侧的单跳比移动台侧具有更大的空间和时延分布范围，且上行信道高于下行信道。随着接收端波束宽度变宽，时延扩展也越大。这与在实际非对称信道中，基站周围的簇距离基站通常较远，即使在定向性波束条件下，各条多径的时延仍具有一定差异是相吻合的。
[0117]
在本案例中，利用非对称的上下行信道之间散射环境的关联性，可以在同一组信道环境参数的条件下生成上下行信道的各个参数及信道冲激响应。相比于独立地对上行和下行信道进行分析，本发明有效降低了信道仿真分析的复杂度，对实际的非对称毫米波亚毫米波频段的室外无线通信信道仿真和设计具有一定的实用性。
[0118]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。