一种适配无线信道的天线方向图的计算方法及系统

1.本发明属于无线通信容量优化领域，具体涉及一种对无线信道最佳适配的天线方向图计算方法及系统。


背景技术：

2.天线对于通信系统性能的影响在现今研究中越来越被重视，怎样的“天线方向性”能更好的适配通信信道是当前研究热点。建立在tr38.961的信道模型的基础上，天线的方向性是随机几何信道模型里计算信道系数的一个重要参数，因而也是影响信道容量的一个重要参数。目前研究中由于缺少对天线方向图的数学建模，因而没有直接的计算天线方向图的方法。已有的方法中大多是将天线设计参数融入到信道容量计算的模型中，先计算天线参数，进而得到天线方向图。这些方法中，不同的天线结构都需要重新建模和重新优化计算，且计算复杂度较高。并且由于天线的参数约束，这种情况下计算出来的方向图并不是适配无线信道的最优方向图，而是受天线参数约束下的次优方向图。


技术实现要素：

3.为探究天线方向性对通信系统性能的影响，并找到适配无线信道的最优天线方向图，本发明建立了天线方向性和信道容量之间的数学关系，并使用优化算法计算得到使容量最大的天线方向图，及容量上界。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适配无线信道的天线方向图的计算方法，包括以下步骤：
5.步骤1，对天线方向图进行离散建模：将空间球面分为相等的n份，每一份空间角度的立体角为对应的表面积为其中r为观测点距离天线相位中心的距离，在每一份空间角度里，天线的辐射特性相同；
6.步骤2，系统建模和构建优化问题：通信环境为一个发送端和一个接收端的下行链路；发送端的天线数量为tx，接收端的天线数量为rx，构成rx*tx的mimo信道；信道环境为随机几何描述下的nlos多径环境，多径数量为l；设定接收端天线为全向天线，发送端天线为可重构天线其方向图可随环境信道动态调整；在随机几何信道模型下，建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系；根据mimo信道容量公式得出信道容量和天线方向图、多径环境的关系；使信道容量最大的天线方向图f
l
×
tx
定义为对无线信道的最佳适配天线方向图，约束为发射天线的总功率为p，得到优化问题；
7.步骤3，解算优化问题：基于所述优化问题，使用svd分解和注水算法计算最优的天线方向图并确定发送天线的功率分配。
8.步骤1中，在每一份空间角度里，天线的辐射特性相同是指天线的电场、磁场以及功率流密度是相同的。
9.步骤1中，如果n＝1，则表示为全向天线，功率流密度和辐射功率之间的关系表示
为式(1)，辐射强度与辐射功率之间的关系表示为式(2)
[0010][0011][0012]
如果n≠1，表示天线辐射在整个空间具有不均等性，辐射功率由功率流密度或辐射强度叠加得到，如式(3)所示，当n趋于无穷大时，(3)式的离散表示与连续下的积分表示等效，
[0013][0014]
步骤1中，步骤1中，对于定向天线，功率汇聚因子为关注的辐射空间里的辐射功率与总辐射功率之比，如式(4)所示，在n个空间角度里有k个关注的辐射方向，k《n，
[0015][0016]
对于定向天线，辐射汇聚因子为关注的辐射空间里的辐射强度之和与全向天线的辐射强度之比，如式(5)所示，辐射因子表征了在关注的辐射方向上波束的辐射能力之和；
[0017][0018]
式(5)中，在理想情况下，设非主要辐射空间里辐射强度为0，则γ＝1，ρ＝n，空间细分力度越大，主辐射空间越小，即n越大，k越小，则辐射汇聚因子越大。
[0019]
步骤2中，在随机几何信道模型下，建立天线方向图矩阵f
l
×
tx
、多径环境矩阵和信道矩阵h
rx
×
tx
的表达式如式(6)所示：
[0020][0021]
其中，αi是第i条径在相邻两个接收天线上引起的相位差；βi是第i条径在相邻两个发送天线上引起的相位差；表示物理信道，为已知参数，h
l
表示多径环境中第l条径上的增益；f
l
×
tx
表示天线方向性对信道的影响矩阵，为待求量，其中表示第n个发送天线在第l条径上的增益。
[0022]
步骤2中，信道容量和天线方向图的关系，如式(7)所示
[0023][0024]
其中，r
ss
是发送流的协方差矩阵，对角线元素之和代表发送总功率
[0025][0026]
步骤2中，优化问题表述如下：
[0027][0028]
subject to tr(r
ss
)＝p,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9.b)
[0029][0030]
其中，ρ为辐射汇聚因子。
[0031]
步骤3中，使用svd分解和注水算法计算最优的天线方向图并确定发送天线间的功率分配时：
[0032]
对做svd分解，如公式(10)，右奇异值矩阵为f
l
×
tx
的最优方向图如公式(11)
[0033][0034]fl
×
txopt
＝v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0035]
使用注水算法根据s矩阵和ρ计算发送流的协方差矩阵r
ss
，确定发送天线间的功率分配。
[0036]
基于本发明的技术构思，还提供一种适配无线信道的天线方向图的计算系统，包括模型构建模块、优化问题构建模块以及解算模块；
[0037]
模型构建模块用于对天线方向图进行离散建模，具体为：将空间球面分为相等的n份，每一份空间角度的立体角为对应的表面积为其中r为观测点距离天线相位中心的距离，在每一份空间角度里，天线的辐射特性相同；
[0038]
优化问题构建模块用于天线通信系统建模和构建优化问题，具体如下：通信环境为一个发送端和一个接收端的下行链路；发送端的天线数量为tx，接收端的天线数量为rx，构成rx*tx的mimo信道；信道环境为随机几何描述下的nlos多径环境，多径数量为l；设定接收端天线为全向天线，发送端天线为可重构天线其方向图可随环境信道动态调整；在随机几何信道模型下，建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系；根据mimo信道容量公式得出信道容量和天线方向图、多径环境的关系；使信道容量最大的天线方向图f
l
×
tx
定义为对无线信道的最佳适配天线方向图，约束为发射天线的总功率为p，得到优化问题；
[0039]
解算模块使用svd分解和注水算法计算最优的天线方向图并确定发送天线的功率分配。
[0040]
本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述适配无线信道的天线方向图的计算方法。
[0041]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0042]
1)基于tr38.961的随机几何信道模型，将mimo信道矩阵写成了天线方向性矩阵和多径环境矩阵的乘积形式；
[0043]
2)对天线方向图进行数学上的离散建模，建立了天线方向性矩阵在关注的空间多径上的功率约束表达，使得使用奇异值分解和注水算法可求得最优方向图和发送天线间的
功率分配；
[0044]
3)该发明给出了适配无线信道的最优方向图，给出了容量上界；
[0045]
4)发明中得到的最优天线方向图可作为天线综合的目标方向图，进一步用于优化天线参数。
附图说明
[0046]
图1为系统模型示意图
具体实施方式
[0047]
本发明提供一种适配无线信道的天线方向图的计算方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤1对天线方向图进行离散建模
[0049]
1.1将空间球面分为相等的n份，每一份空间角度的立体角为对应的表面积为(其中r为观测点距离天线相位中心的距离，单位为米)
[0050]
1.2认为在每一份空间角度里，天线的辐射特性是相同的，即天线的电场、磁场、功率流密度是相同的。
[0051]
如果n＝1，则表示为全向天线，功率流密度和辐射功率之间的关系表示为式(1),辐射强度与辐射功率之间的关系表示为式(2)
[0052][0053][0054]
如果n≠1，表示天线辐射在整个空间具有不均等性(比如定向天线)，此时辐射功率可由功率流密度或辐射强度叠加得到，如式(3)所示。
[0055]
当n趋于无穷大时，(3)式的离散表示与连续下的积分表示等效。
[0056][0057]
1.3对于定向天线，定义功率汇聚因子为关注的辐射空间里的辐射功率与总辐射功率之比，如式(4)所示，在n个空间角度里有k个关注的辐射方向(k《n)。
[0058][0059]
1.4对于定向天线，定义辐射汇聚因子为关注的辐射空间里的辐射强度之和与全向天线的辐射强度之比，如式(5)所示。辐射因子表征了在关注的辐射方向上波束的辐射能力和。
[0060][0061]
(5)式中，在理想情况下，假设非主要辐射空间里辐射强度为0，则γ＝1，ρ＝n，此时，空间细分力度越大(n越大)，主辐射空间越小(k越小)，则辐射汇聚因子越大。
[0062]
步骤2系统建模和优化问题提出
[0063]
2.1确定收发天线数量和通信环境
[0064]
通信环境为基站(bs)和手机用户(ui)的下行链路，bs作为发送端的天线数量为tx，ui作为接收端的天线数量为rx，信道环境为随机几何描述下的nlos多径环境，多径数量为l，接收端天线为全向天线。
[0065]
2.2在随机几何信道模型下，建立天线方向图和信道矩阵h
rx
×
tx
的表达式如式(6)所示
[0066][0067]
其中，αi是第i条径在相邻两个接收天线上引起的相位差；βi是第i条径在相邻两个发送天线上引起的相位差；表示物理信道，在该方法中是已知参数；f
l
×
tx
表示天线方向性对信道的影响矩阵，是未知待求量。
[0068]
2.3得出信道容量和天线方向图的关系，如式(7)所示
[0069][0070][0071]
其中，r
ss
是发送流的协方差矩阵，对角线元素之和代表发送总功率
[0072]
2.4确定优化问题
[0073]
无线通信中，经常将容量作为系统的性能指标，使式(7)最大的天线方向图f
l
×
tx
可定义为对无线信道的最佳适配天线方向图，约束为发射天线的总功率为p；优化问题表述如下：
[0074][0075]
subject to tr(r
ss
)＝p,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9.b)
[0076][0077]
其中，ρ为(5)中定义的辐射汇聚因子。
[0078]
步骤3使用svd分解和注水算法计算最优的天线方向图并确定各发送天线的功率分配对做svd分解，右奇异值向量为f
l
×
tx
的最优方向图
[0079][0080]fl
×
txopt
＝vhꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0081]
使用注水算法根据s矩阵和ρ*p计算协方差矩阵r
ss
，确定发送天线间的功率分配。
[0082]
下面以收发均为2根天线、无线空间有3条径为例来阐述本发明所述方法。
[0083]
系统建模：图1为系统模型示意图，发端两根天线排布在x轴上，天线距离为半波长；接收天线距离为半波长，系统工作在2ghz的频段，3条径的角度和系数如表1所示。
[0084]
表1三径模型参数
[0085][0086]
得到多径环境矩阵
[0087][0088]
对进行svd分解
[0089][0090][0091][0092]
根据式(11)求出最优方向图
[0093][0094]
根据信噪比和求得的s矩阵，由注水算法计算两发送天线上的功率分配；当噪声功率为10-9
mw时，发端总功率p为103mw时，得第一个发送天线的发送功率为508.9889mw，第二个发送天线的发送功率为491.0111mw。
[0095]
计算最大容量：根据以上的功率分配和最优方向图f
opt
，由式(7)求得最大容量c＝8.8159bits/s/hz。
[0096]
基于所述发明构思本发明提供一种适配无线信道的天线方向图的计算系统，包括模型构建模块、优化问题构建模块以及解算模块；
[0097]
模型构建模块用于对天线方向图进行离散建模，具体为：将空间球面分为相等的n
份，每一份空间角度的立体角为对应的表面积为其中r为观测点距离天线相位中心的距离，在每一份空间角度里，天线的辐射特性相同；
[0098]
优化问题构建模块用于天线通信系统建模和构建优化问题，具体如下：通信环境为一个发送端和一个接收端的下行链路；发送端的天线数量为tx，接收端的天线数量为rx，构成rx*tx的mimo信道；信道环境为随机几何描述下的nlos多径环境，多径数量为l；设定接收端天线为全向天线，发送端天线为可重构天线其方向图可随环境信道动态调整；在随机几何信道模型下，建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系；根据mimo信道容量公式得出信道容量和天线方向图、多径环境的关系；使信道容量最大的天线方向图f
l
×
tx
定义为对无线信道的最佳适配天线方向图，约束为发射天线的总功率为p，得到优化问题；
[0099]
解算模块使用svd分解和注水算法计算最优的天线方向图并确定发送天线的功率分配。
[0100]
综上所述，本发明首先提供了一种直接计算天线方向图的方法，针对天线结构不需要重新建模和重新优化计算；在随机几何信道模型下，建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系；对天线方向图进行数学上的离散建模，建立了天线方向性矩阵在关注的空间多径上的功率约束表达，使得使用奇异值分解和注水算法可求得最优方向图和发送天线间的功率分配；计算过程简单；本发明给出了适配无线信道的最优方向图，给出了天线的容量上界，能尽可能的靠近天线自身的参数约束；得到的最优天线方向图可作为天线综合的目标方向图，能进一步用于优化天线参数，逼近天线容量上界。
[0101]
另外，本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述适配无线信道的天线方向图的计算方法。
[0102]
所述计算机设备可以采用笔记本电脑、桌面型计算机或工作站。
[0103]
处理器可以是中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)或现成可编程门阵列(fpga)。
[0104]
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。