一种高动态信道平滑演进模拟方法及装置

本发明涉及无线信息传输，具体涉及一种高动态信道平滑演进模拟方法和装置，特别针对卫星、无人机等高动态通信场景无线信号传播过程的模拟方法及硬件实现。

背景技术：

1、作为未来“空-天-地-海”一体化通信网络中不可或缺的组成部分，卫星、无人机等高速移动终端的通信质量直接影响着整体网络性能。无线信号在传播过程中受到传播环境的影响会产生一定程度的失真或衰落，严重影响通信系统的通信质量。

2、为了有效评估和优化卫星、无人机等通信系统的性能，需要对高动态通信场景下的无线信道进行真实有效的复现。在卫星、无人机等高动态通信场景中，由于收发端移动速度过快，传播环境不断变化，衰落整体呈现高动态非平稳特性，传统硬件衰落模拟方法无法准确复现。因此，需要一种支持高动态非平稳信道硬件产生方法来复现无线信道衰落高动态变化的非平稳特性。

3、当前非平稳信道的硬件产生方法大多是将整个传播过程划分为若干段准平稳段，简单的将平稳信道模拟方法应用于各个准平稳段中，准平稳段内衰落特性不随时间动态变化，该方法无法支持高动态场景下信道衰落的连续时间演进。同时，该方法并未考虑到散射径生灭因素，部分出现生灭现象的散射径功率在准平稳段切换时会发生跳变的现象，导致信道衰落模拟出现空间连续性差的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了公开一种高动态信道平滑演进模拟方法和装置，首先利用收发端的运动轨迹进行准平稳段划分；然后在准平稳段内采用动态演进技术，将准平稳段进一步划分为若干个信道切片，通过几何方法更新每个切片的信道参数，保证非平稳衰落在准平稳段内的连续动态演进；最后准平稳段间引入生灭机制，判断各径在不同准平稳段之间的存活情况，对于出现生灭现象的传播路径，通过增加过渡段对功率进行平滑处理，保证非平稳衰落在准平稳段间的平滑过渡。此外，相应的硬件实现装置结构灵活，易于扩展升级。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种高动态信道平滑演进模拟方法，所述高动态信道平滑演进模拟方法包括以下步骤：

4、步骤a，设置通信场景和参数，包括收发端运动轨迹与速度、地理环境、载波频率及有效散射体坐标；将输入的参数定点化，根据地理环境得到直射径标志位以及阴影衰落的均值与方差参数；

5、步骤b，根据收发端运动轨迹以及有效散射体位置，判断传播路径生灭情况，产生多径生灭标志位；

6、步骤c，根据多径生灭标志位，在准平稳段之间增加过渡段，产生功率平滑系数；

7、步骤d，根据无人机运动轨迹、无人机运动速度、直射径标志位、载波频率、有效散射体位置、阴影衰落的均值和方差，不断更新每个时刻的路径长度、时延以及相位，得到动态变化的多径衰落系数和衰落功率系数；

8、步骤e，将输入的模拟信号转换为数字信号，根据时延对转换得到的数字信号进行时延处理，生成延时信号；

9、步骤f，将功率平滑系数、多径衰落系数、功率系数叠加到延时信号上，再将叠加后的延时信号转换为模拟输出信号。

10、进一步地，步骤b中，产生多径生灭标志位的过程包括以下子步骤：

11、步骤b1，根据第l+1段准平稳段收发端的初始位置以及第l段准平稳段中第n条传播路径对应的有效散射体的位置，计算第l段中第n条传播路径的最终时延，表示为：

12、

13、式中c为光速，为发射端位置，为接收端位置，和分别为第n条传播路径的第一跳散射体位置以及最后一跳散射体位置；

14、步骤b2，根据第l+1段准平稳段收发端的初始位置以及第m条传播路径对应的有效散射体的位置，计算在第l+1段准平稳段内第m条传播路径的初始时延，表示为：

15、

16、式中和为分别为第m条传播路径的第一跳散射体位置以及最后一跳散射体位置；计算得到相应的时延差，表示为：

17、δτn，m＝||τl，n-τl+1，m||；

18、步骤b3，判断时延差δτn，m是否大于阈值τ0，若不大于则认为第l段中的第n条传播路径与第l+1段中的第m条传播路径为同一传播路径，输出生灭标志符flag1[n]为1，表示该传播路径延续到下一准平稳段；若大于则判断m是否大于第l+1段中的总多径数nl+1，若大于则认为第l段中的第n条传播路径在下一准平稳段中消失，输出生灭标志符flag1[n]为0，若小于则令m＝m+1，返回步骤b2；

19、步骤b4，判断n是否大于nl，若大于则第l段中的所有传播路径都经历过生灭判断，输出nl位的生灭标志符号位flagl；若小于则令n＝n+1，返回步骤b2。

20、进一步地，步骤c中，根据多径生灭标志位，在准平稳段之间增加过渡段，产生功率平滑系数的过程包括以下步骤：

21、步骤c1，采用时计数器模块不断循环计数，计数值i的计数区间为[1，ml]，ml为准平稳段时间间隔对应的硬件时钟周期数；

22、步骤c2，根据计数值来判断当前时刻是否处于过渡段，当i∈[1，mp]时(mp为过渡段时间间隔对应的硬件时钟周期数)，处于准平稳段开始阶段的过渡段，累加器的输入为1，累加结果a作为地址对sin2(·)查找表中数据进行查找，得到功率平滑系数，表示为：

23、

24、进一步地，步骤d中，不断更新每个时刻的路径长度、时延以及相位的过程包括以下子步骤：

25、步骤d1，根据收发端初始位置及速度，不断更新每个时刻发送端/接收端的位置：

26、

27、式中为第l段准平稳段收发端的初始位置，为第l段准平稳段收发端的速度，ξ为时间域的离散索引值，ξl为第l段准平稳段的起始时间；

28、步骤d2，根据步骤d1得到的发送端/接收端的每个时刻的位置以及有效散射体位置，得到信号传播的路径长度：

29、

30、

31、式中为直射径的实时路径长度，为第n条散射径的实时路径长度，和分别为发射端到第一跳散射体之间的距离、第一跳散射体到最后一跳散射体之间的距离和接收端到最后一跳散射体之间的距离；

32、步骤d3，根据步骤d2得到的不同径信号传播的路径长度，计算出路径时延为：

33、

34、

35、式中τlos(ξ)与分别表示直射径与第n条散射径的时变时延；结合载波频率，得到路径相位为：

36、φlos(ξ)＝2π·fc·τlos(ξ)

37、

38、式中φlos(ξ)、分别表示直射径与第n条散射径的时变相位，fc表示载波频率。

39、进一步地，步骤d中，根据阴影衰落和方差得到阴影衰落因子sf(ξ)，根据载波频率以及传播路径长度产生路径损耗因子pl(ξ)，将二者相乘输出衰落功率系数p(ξ)＝pl(ξ)·sf(ξ)。

40、进一步地，步骤d中，根据时变相位和直射径标志位flag0来产生多径衰落系数：

41、

42、式中m为散射径中的总射线数目，通过flag0判断需要产生直射径还是散射径衰落系数，φm为散射径多径信号中各子径的相位偏移值，为信号的初始相位，服从u(0，2π)的随机分布。

43、进一步地，步骤f中，将功率平滑系数、多径衰落系数、功率系数叠加到延时信号上，得到经过信道衰落后的数字域输出信号：

44、

45、式中y(ξ)为经过信道衰落后的数字域输出信号。

46、本发明公开了一种高动态信道平滑演进模拟装置，所述高动态信道平滑演进模拟装置包括用户交互单元1-1、模数转换单元1-2、多径生灭演进单元1-3、准平稳段间平滑过渡单元1-4、准平稳段内动态演进单元1-5、动态时延模拟单元1-6、动态叠加单元1-7和数模转换单元1-8；

47、所述用户交互单元1-1的输出接口通过pcie总线与多径生灭演进单元1-3和准平稳段内动态演进单元1-5的输入接口连接；所述模数转换单元1-2的输出接口与动态时延模拟单元1-6的输入接口连接；所述多径生灭演进单元1-3的输出接口与准平稳段间平滑过渡单元1-4和准平稳段内动态演进单元1-5的输入接口连接；所述准平稳段间平滑过渡单元1-4的输出接口与动态叠加单元1-7的输入接口连接；所述准平稳段内动态演进单元1-5的输出接口与动态时延模拟单元1-6和动态叠加单元1-7的输入接口连接；所述动态时延模拟单元1-6的输出接口与动态叠加单元1-7的输入接口连接；所述动态叠加单元1-7的输出接口与数模转换单元1-8的输入接口连接；

48、用户通过用户交互单元1-1设置通信场景和参数，包括收发端运动轨迹与速度、地理环境、载波频率及有效散射体坐标；用户交互单元1-1将用户输入的参数定点化，根据地理环境得到直射径标志位以及阴影衰落的均值与方差参数，并通过pcie总线将无人机运动轨迹和有效散射体位置送到多径生灭演进单元1-3，将无人机运动轨迹、无人机运动速度、直射径标志位、载波频率、有效散射体位置、阴影衰落的均值和方差送到准平稳段内动态演进单元1-5；

49、所述多径生灭演进单元1-3根据用户交互单元1-1传输过来的无人机运动轨迹以及有效散射体位置，判断传播路径生灭情况，产生多径生灭标志位，并传输到准平稳段间平滑过渡单元1-4；

50、所述准平稳段间平滑过渡单元1-4根据多径生灭演进单元1-3传输过来的多径生灭标志位，在准平稳段之间增加过渡段，产生功率平滑系数，将功率平滑系数传输到数模转换单元1-8；

51、所述准平稳段内动态演进单元1-5根据用户交互单元1-1传输过来的参数，不断更新每个时刻的路径长度、时延以及相位，得到动态变化的多径衰落系数和衰落功率系数，并将时延传输到动态时延模拟单元1-6，将多径衰落系数和衰落功率系数传输到动态叠加单元1-7；

52、所述模数转换单元1-2将输入的模拟信号转换为数字信号，并传递给动态时延模拟单元1-6；动态时延模拟单元1-6根据准平稳段内动态演进单元1-5传输过来的时延对模数转换单元1-2传输过来的输入信号进行时延处理，并将经过时延的信号传输给动态叠加单元1-7。

53、所述动态叠加单元1-7将准平稳段间平滑过渡单元1-4以及准平稳段内动态演进单元1-5传输过来的功率平滑系数、多径衰落系数、功率系数叠加到动态时延模拟单元1-6传输过来的延时信号上，再经过数模转换单元1-8将数字信号转换为模拟输出信号。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

55、本发明的高动态信道平滑演进模拟方法和装置，实现了非平稳衰落的动态演进和平滑过渡，保证了在模拟过程中功率、多径衰落以及时延等系数的平滑演进，极大地改善了输出信道空时连续性差的问题，适用于高动态场景下的非平稳衰落的复现，有助于针对无人机、卫星等高速移动终端的通信系统的设计、性能评估以及优化。