时间演进大规模mimo信道模拟装置及其模拟方法
【专利摘要】本发明时间演进大规模MIMO信道模拟装置中用户在主控PC子系统上输入通信场景参数，参数计算单元计算MIMO各子信道衰落因子；将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单元的信道衰落RAM中；信道输入信号经过信号分解子系统的信号分解单元，得到若干组模拟信号；模拟信号通过信号处理子系统上的模数转换单元成为数字信号，传输到信道模拟单元，同时通过不同采样率读取滤波器RAM，获得时间演进的MIMO信道衰落；信道模拟单元将数字信号和信道衰落进行相乘累加后输出；信道输出信号的各个分量经过信号处理子系统的数模转换单元，并连接到一个信号合成子系统，再经过噪声叠加单元得到最终的信道输出信号。
【专利说明】
时间演进大规模ΜI MO信道模拟装置及其模拟方法
技术领域：
[0001] 本发明设及一种时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置及其模拟方法，属于无线信息 传输领域，特别针对动态时间演进传播场景下的大规模ΜΙΜΟ信道模拟方法。
【背景技术】：
[0002] 无线通信已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，而无线通信系统不论在设 计开发阶段，还是在通信网络的规划及部署，都要考虑无线传播环境的影响。比如，无线电 波信号在传播过程中受地形、地貌及传输距离的影响存在路径损耗，由于反射、散射及绕射 等因素还会产生多径衰落。同时，收发端的移动使得电波信号产生多普勒频移，此外，受周 围建筑物及地貌遮挡的影响，还可能存在阴影衰落。为了有效地评估和验证无线通信系统 的方案及性能，减少研发成本、缩短开发测试周期，需要在实验室环境下模拟复杂的电磁传 播环境，即研制具备实时信道模拟功能的硬件模拟器。
[0003] 多输入多输出（Multiple-i吨ut Multiple-out, ΜΙΜΟ)技术可W提高系统的信道 容量、信息传输速率与可靠性，已成为第四代移动通信系统(4G)的核屯、技术之一。然而，随 着智能终端的普及W及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，预计 2020年的无线通信传输速率需求将是目前正在运营系统的千倍。为此，新一代移动通信系 统巧G)考虑通过显著增加基站侧配置天线的个数，即W大规模阵列天线替代目前采用的多 天线，从而形成大规模ΜΙΜΟ无线通信环境，W深度挖掘利用空间维度的无线资源，解决未来 移动通信的频谱效率及功率效率问题。与此同时，伴随着天线数目的急剧增加，传统的ΜΙΜΟ 信道模拟器将难W完成系统测试验证工作。
[0004] 另一方面，随着移动-移动（Mobile-t〇-Mobile，M2M)和高速铁路化igh Speed 化ain，HST)等高速移动场景下信道实测研究的深入。大量实测数据表明，通信收发端都处 于移动状态的通信场景下，无线传播信道的多径衰落分布、多普勒谱和时延谱等统计特性 均具有时变特性，属于时变非平稳衰落信道。故针对未来5G信道的标准模型采纳了非平稳 信道建模的思想，运也导致针对传统平稳衰落信道的ΜΙΜΟ信道模拟器将不再适用。
[0005] 因此，研制移动时变场景下非平稳信道的硬件模拟器是解决未来大规模ΜΙΜΟ通信 系统算法验证及性能评估的重要步骤。然而，当天线数目非常多时，需要解决Μτ XMr个ΜΙΜΟ 子信道在硬件实现中的处理资源限制问题。另一方面，各子信道之间的数据交互，将导致硬 件存在更严重的连线资源限制。
【发明内容】
：
[0006] 本发明提供一种针对收发端移动场景下的时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置及 其模拟方法，该方法可W实时模拟复现动态场景下任意天线数目的ΜΙΜΟ信道衰落。
[0007] 本发明采用如下技术方案：一种时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置，包括主控PC 子系统、信号分解子系统、信号处理子系统和信号合成子系统;所述主控PC子系统包括用户 交互单元和参数计算单元;所述信号分解子系统包括信号分解单元;所述信号处理子系统 包括模数转换单元，信道模拟单元和数模转换单元;所述信号合成子系统包括信号合成单 元和噪声叠加单元;所述参数计算单元的输出接口与所述信道模拟单元的输入接口 WPCIE 总线相连;所述信号分解单元的输出接口与模数转换单元的输入接口相连;所述模数转换 单元的输出接口与信道模拟单元的输入接口相连;所述信道模拟单元的输出接口与数模转 换单元的输入接口相连;所述数模转换单元的输出接口与信号合成单元的输入接口相连； 所述信号合成单元的输出接口与噪声叠加单元相连。
[0008] 本发明还采用如下技术方案：一种时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置的模拟方 法，包括如下步骤：
[0009] 第一步，用户在主控PC子系统上，通过用户交互单元输入通信场景参数，参数计算 单元根据输入参数，计算ΜΙΜΟ各子信道衰落因子；
[0010] 第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单 元的信道衰落RAM中；
[0011] 第Ξ步，信道输入信号经过信号分解子系统的信号分解单元，得到若干组模拟信 号；
[0012] 第四步，模拟信号通过信号处理子系统上的模数转换单元成为数字信号，传输到 信道模拟单元，同时通过不同采样率读取滤波器RAM,获得时间演进的ΜΙΜΟ信道衰落；
[0013] 第五步，信道模拟单元将数字信号和时间演进信道衰落进行相乘累加，得到信道 输出信号的各个数字分量；
[0014] 第六步，信道输出信号的各个分量经过信号处理子系统的数模转换单元，得到信 道输出信号的各个模拟分量；
[0015] 第屯步，将同一个信道输出信号的所有分量连接到一个信号合成子系统，经过信 号合成单元合成，再经过噪声叠加单元得到最终的信道输出信号。
[0016] 进一步地，第一步具体产生步骤如下：
[0017] 1)计算各子信道的路径损耗a(t)，并进行定点量化；
[0018] 2)产生功率归一化的独立同分布复高斯衰落信道G;
[0019] 3)计算获得ΜΙΜΟ各子信道的互相关矩阵Rh;
[0020] 4)如果Rh为正定阵，利用化olesky分解获得下Ξ角系数矩阵L，否则采用特征值分 解方法求解L
[0021] 5)利用岛=LG并定点化后获得归一化衰落矩阵；
[0022] 6)重复1) -5)产生L个子信道衰落矩阵。
[0023] 进一步地，第四步具体实现步骤如下
[0024] 1)通过用户交互单元输入的采样率，参数计算单元得到第一级内插倍数，第二级 内插倍数，第Ξ级内插倍数，传输到滤波器RAM;
[0025] 2)通过高精度DDS产生4个任意时钟源，化K1为读取RAM的时钟，化K2为第一级内插 时钟，CLK3为第二级内插时钟，CLK 4为第Ξ级内插时钟，4个时钟源的相位相同；
[00%] 3)第一级内插采用高性能的多相滤波结构实现1~100内插;多相滤波器的滤波器 系数由参数计算单元计算，并存储在滤波器RAM中；
[0027] 4)第二级采用半带滤波器实现1~2倍内插；
[002引 5)第Ξ级采用CIC滤波器实现1~5倍内插;使用了 5个寄存器存储5个数据，由第Ξ 级内插倍数控制累加的寄存器数量，即控制滤波器阶数；
[0029] 6)通过改变采样率，重复1)-5)即可W得到时间演进连续衰落。
[0030] 本发明具有如下有益效果：
[0031] (1)将大规模ΜΙΜΟ信道分解为基本矩阵计算单元，并采用FPGA为核屯、的两输入两 输出基本信道模拟单元，构建一种适用于大规模ΜΙΜΟ信道的模拟器，该模拟器易于硬件扩 展，可用于任意天线数目的信道硬件模拟；
[0032] (2)采用了信号在模拟域分解和合并的技术，解决了大规模FPGA基本信道模拟单 元之间的信号同步问题；
[0033] (3)提出了一种基于可变采样率读取信道衰落的方案，从而实现信道输出衰落的 时间演进效果，既提高了系统实时处理能力，又解决了存储器容量受限的问题。
【附图说明】：
[0034] 图1为ΜΙΜΟ系统模型图。
[0035] 图2为本发明装置采用的硬件实现方案图。
[0036] 图3为本发明时间演进信道衰落的产生方法图。
【具体实施方式】：
[0037] 考虑一个配置Μτ个发射天线和Mr个接收天线的ΜΙΜΟ系统(如图1所示），信道输入- 输出关系为
[0038] y(t)=H(T,t)*x(t)+n(t) (1)
[0039] 其中，刪=[王1 (?)Α-] ^ (背为发射信号矢量；地)=[枯1的!!2 (f)…。Μ。（0]τ为 信道噪声矢量;y(0 = [.1，1 …Xu。(0]τ为接收信号矢量;假设各子信道的多径簇数目为 L，则ΜΙΜΟ信道模型可表示为
[0040]
[0041] 其中，表示第j个发射天线和第i个接收天线之间的脉冲响应，τι表示第1 径的时延，L表示离散化多径簇数目。
[0042] 针对上述ΜΙΜΟ信道模型，传统模拟器硬件实现方式包括两种:预存式和实时式，其 中预存式的产生算法，存储量大，难W支持时变动态场景;实时式的产生算法，运算量大，难 W支持大规模多通道场合。
[0043] 本发明设及一种时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置，首先采用矩阵分解的方法改 写信道模型表示形式，令
[0044]
做
[0045] 及
[0051] 针对式(6)模型形式，本发明时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置包括主控PC子系 统、信号分解子系统、信号处理子系统和信号合成子系统（如图2所示），主控PC子系统包括 用户交互单元1-1和参数计算单元1-2;信号分解子系统包括信号分解单元1-3;信号处理子 系统包括模数转换单元1-4,信道模拟单元1-5和数模转换单元1-6;信号合成子系统包括信 号合成单元1-7和噪声叠加单元1-8;参数计算单元1-2的输出接口与信道模拟单元1-5的输 入接口 WPCIE总线相连;信号分解单元1-3的输出接口与模数转换单元1-4的输入接口相 连;模数转换单元1-4的输出接口与信道模拟单元1-5的输入接口相连;信道模拟单元1-5的 输出接口与数模转换单元1-6的输入接口相连;数模转换单元1-6的输出接口与信号合成单 元1-7的输入接口相连;信号合成单元1-7的输出接口与噪声叠加单元1-8相连。
[0052] 本发明时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置内部信号的处理流程如下:信道输入信 号(Xn-l，Xn)经过信号分解子系统分解为多组模拟信号;在信号处理子系统中，各组模拟信 号经过模数转换单元1-4输入到信道模拟单元1-5,与参数计算单元1-2传输下来的信道衰 落叠加，最后通过数模转换单元1-6,输出包含(Xn-l，Xn)信息的分量;将同一个输出 信号的所有分量连接到一个信号合成子系统，通过信号合成单元1-7合成，再通过噪声叠加 单元1-8,最终得到信道输出信号乃~加 K。
[0053] 本发明时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：
[0054] 第一步，用户在主控PC子系统上，通过用户交互单元1-1输入通信场景参数，信道 参数计算单元1-2根据输入参数，计算ΜΙΜΟ各子信道衰落因子，具体产生步骤如下：
[0055] (1)计算各子信道的路径损耗a(t)，并进行定点量化；
[0056] (2)产生功率归一化的独立同分布复高斯衰落信道G;
[0057] (3)计算获得ΜΙΜΟ各子信道的互相关矩阵Rh;
[005引（4)如果Rh为正定阵，利用化olesky分解获得下Ξ角系数矩阵L，否则采用特征值 分解方法求解L
[0059] (5)利用岛=LG并定点化后获得归一化衰落矩阵；
[0060] (6)重复1) -5)产生L个子信道衰落矩阵；
[0061] 第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单 元1-5的信道衰落RAM中；
[0062] 第Ξ步，信道输入信号经过信号分解子系统的信号分解单元1-3,得到若干组模拟 信号；
[0063] 第四步，模拟信号通过信号处理子系统上的模数转换单元1-4成为数字信号，传输 到信道模拟单元1-5,同时通过不同采样率读取滤波器RAM,获得时间演进的ΜΙΜΟ信道衰落， 具体实现步骤如下(如图3所示）：
[0064] 1)通过用户交互单元1-1输入采样率，参数计算单元1-2得到第一级内插倍数，第 二级内插倍数，第Ξ级内插倍数，传输到滤波器RAM;
[00化]2)产生4个任意时钟源，化K1为读取RAM的时钟，化K2为第一级内插时钟，化K3为第 二级内插时钟，CLK 4为第Ξ级内插时钟，4个时钟源的相位相同；
[0066] 3)第一级内插采用高性能的多相滤波结构实现1~100内插;多相滤波器的滤波器 系数由参数计算单元1-2计算，并存储在滤波器RAM中；
[0067] 4)第二级采用半带滤波器实现1~2倍内插；
[0068] 5)第Ξ级采用CIC滤波器实现1~5倍内插;使用了5个寄存器存储5个数据，由第Ξ 级内插倍数控制累加的寄存器数量，即控制滤波器阶数；
[0069] 6)通过改变采样率，重复1)-5)即可W得到时间演进连续衰落；
[0070] 第五步，信道模拟单元1-5将数字信号和时间演进信道衰落进行式(6)所示的相乘 累加，得到信道输出信号的各个数字分量；
[0071] 第六步，信道输出信号的各个分量经过信号处理子系统的数模转换单元1-6,得到 了信道输出信号的各个模拟分量；
[0072] 第屯步，将同一个信道输出信号的所有分量连接到一个信号合成子系统，经过信 号合成单元1-7合成，再经过噪声叠加单元1-8得到最终的信道输出信号。
[0073] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面W8X8的3径ΜΙΜΟ信道为例并 结合本发明的附图，对技术方案进行清楚、完整的描述。
[0074] 利用本发明矩阵分解的方法，8X8的3径ΜΙΜΟ信道可W表示为
[0078] 可见，8 X 8的ΜΙΜΟ信道模拟需要4个信号分解子系统，16个信号处理子系统和4个 信号合成子系统;其中4个信号分解子系统将8路信道输入信号分解成32路模拟信号，并传 输到16个信号处理子系统;信号处理子系统上的模数转换单元1-4将处理得到的数字信号 输入到信道模拟单元1-5,信道模拟单元1-5处理式(7)中的矩阵运算，得到的数字信号经过 数模转换单元1-6得到32路模拟信号，分别将同一个信道输出信号的分量连接到一个信号 合成子系统上，经过信号合成单元1-7进行合成，再通过噪声叠加模块1-8，最终输出一定信 噪比的yi~ys信号。
[0079] 具体实施步骤如下：
[0080] 第一步，用户在主控PC机上，通过用户交互单元1-1输入通信场景参数，信道参数 计算单元1-2根据输入参数，计算ΜΙΜΟ各子信道衰落因子，产生步骤如下：
[0081] 1)根据式(9)计算路径损耗a(t)，并进行定点量化；
[0082] a(t)=32.44+201g(fMHz)+201g(dkm) (9)
[008；3] 式中，fMHz，dkm分别表示频率和通信距离且单位采用MHz, km;
[0084] 2)参考非专利文献UPATZOLD Μ,Mobile fading channeUM].New York: Wiley. 2002:51-81.]中的谐波叠加方法产生功率归一化的独立同分布信道衰落矩阵G;
[0085]
(10、，
[00化]其中，
，N表示散射支路数目，此处取为32，fd表 示多普勒频率，<V ij，Φ η指各散射支路随机的入射角和初始相位；
[0087] 3)利用用户输入的发射天线相关矩阵Rtx和接收天线相关矩阵化X的Kronecker积 计算ΜΙΜΟ信道的空间互相关矩阵Rh;
[0088] 4)如果Rh为正定阵，利用化olesky分解获得下Ξ角系数矩阵L，否则采用采用特征 值分解方法求解レ
[0089] 5)利用系数矩阵L和信道矩阵G的向量化计算得到ΜΙΜΟ相关衰落信道矩阵H，即
[0090] vec(!〇 =L · vec(G)=姑1/2 · [gir--gi8…邑81 …g88]T (11)
[0091] 第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单 元1-5的信道衰落RAM中；
[0092] 第Ξ步，信道输入信号经过信号分解子系统的信号分解单元1-3,得到若干组模拟 信号；
[0093] 第四步，模拟信号通过信号处理子系统上的模数转换单元1-4成为数字信号，传输 到信道模拟单元1-5,同时通过不同采样率读取滤波器RAM,获得时间演进的ΜΙΜΟ信道衰落， 具体实现步骤如下：
[0094] 1)通过用户交互界面1-1输入采样率lOOIfflz，计算出第一级内插倍数为100倍，第 二级内插倍数为2倍，第Ξ级内插倍数为5倍，传输给信道模拟单元1-5;
[00M] 2)产生任意时钟源，时钟源1为读取RAM的时钟lOOIfflz，时钟源2为第一级内插时钟 lOMHz，时钟源3为第二级内插时钟20MHz，时钟源4为第Ξ级内插时钟lOOMHz;
[0096] 3)第一级内插采用高性能的多相滤波结构实现100倍内插；多相滤波器的滤波器 系数由参数计算单元1-2计算，并存储在滤波器RAM中；
[0097] 4)第二级采用半带滤波器实现2倍内插；
[0098] 5)第Ξ级采用CIC滤波器，使用5个寄存器存储5个数据，累加后输出，即得到5倍内 插的效果，最终输出1000倍内插的信道衰落；
[0099] 6)通过改变采样率，重复1)-5)即可W得到时间演进的信道衰落；
[0100] 第五步，信道模拟单元1-5将数字信号和时间演进连续信道衰落进行相乘累加，得 到信道输出信号的各个数字分量；
[0101] 第六步，信道输出信号的各个分量经过信号处理子系统的数模转换单元1-6,得到 了信道输出信号的各个模拟分量；
[0102] 第屯步，将同一个信道输出信号的所有分量连接到一个信号合成子系统，经过信 号合成单元1-7合成，再经过噪声叠加单元1-8得到最终的信道输出信号。
[0103] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可W作出若干改进，运些改进也应视为本发明的 保护犯i围。
【主权项】
1. 一种时间演进大规模MMO信道模拟装置，其特征在于:包括主控PC子系统、信号分解 子系统、信号处理子系统和信号合成子系统;所述主控PC子系统包括用户交互单元(1-1)和 参数计算单元（1-2);所述信号分解子系统包括信号分解单元（1-3);所述信号处理子系统 包括模数转换单元（1-4)，信道模拟单元(1-5)和数模转换单元(1-6);所述信号合成子系统 包括信号合成单元（1-7)和噪声叠加单元（1-8);所述参数计算单元（1-2)的输出接口与所 述信道模拟单元(1-5)的输入接口以PCIE总线相连;所述信号分解单元(1-3)的输出接口与 模数转换单元(1-4)的输入接口相连;所述模数转换单元(1-4)的输出接口与信道模拟单元 (1-5)的输入接口相连;所述信道模拟单元（1-5)的输出接口与数模转换单元（1-6)的输入 接口相连;所述数模转换单元（1 -6)的输出接口与信号合成单元（1 -7)的输入接口相连;所 述信号合成单元(1-7)的输出接口与噪声叠加单元(1-8)相连。2. -种时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置的模拟方法，其特征在于:包括如下步骤 第一步，用户在主控PC子系统上，通过用户交互单元（1-1)输入通信场景参数，参数计 算单元(1 -2)根据输入参数，计算MM0各子信道衰落因子； 第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单元 (1-5)的信道衰落RAM中； 第三步，信道输入信号经过信号分解子系统的信号分解单元（1-3)，得到若干组模拟信 号； 第四步，模拟信号通过信号处理子系统上的模数转换单元（1-4)成为数字信号，传输到 信道模拟单元(1-5)，同时通过不同采样率读取滤波器RAM，获得时间演进的MM0信道衰落； 第五步，信道模拟单元（1-5)将数字信号和时间演进信道衰落进行相乘累加，得到信道 输出信号的各个数字分量； 第六步，信道输出信号的各个分量经过信号处理子系统的数模转换单元（1-6)，得到信 道输出信号的各个模拟分量； 第七步，将同一个信道输出信号的所有分量连接到一个信号合成子系统，经过信号合 成单元(1-7)合成，再经过噪声叠加单元(1-8)得到最终的信道输出信号。3. 如权利要求2所述的时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置的模拟方法，其特征在于:第 一步具体产生步骤如下： 1) 计算各子信道的路径损耗a(t)，并进行定点量化； 2) 产生功率归一化的独立同分布复高斯衰落信道G; 3) 计算获得MM0各子信道的互相关矩阵Rh; 4) 如果Rh为正定阵，利用Cholesky分解获得下三角系数矩阵L，否则采用特征值分解方 法求解L; 5) 利用? = LG并定点化后获得归一化衰落矩阵； 6) 重复1)_5)产生L个子信道衰落矩阵。4. 如权利要求3所述的时间演进大规模ΜΙΜΟ信道模拟装置的模拟方法，其特征在于:第 四步具体实现步骤如下 1) 通过用户交互单元（1-1)输入的采样率，参数计算单元（1-2)得到第一级内插倍数， 第二级内插倍数，第三级内插倍数，传输到滤波器RAM; 2) 通过高精度DDS产生4个任意时钟源，CLK1为读取RAM的时钟，CLK2为第一级内插时 钟，CLK3为第二级内插时钟，CLK 4为第三级内插时钟，4个时钟源的相位相同； 3) 第一级内插采用高性能的多相滤波结构实现1~100内插；多相滤波器的滤波器系数 由参数计算单元(1-2)计算，并存储在滤波器RAM中； 4) 第二级采用半带滤波器实现1~2倍内插； 5) 第三级采用CIC滤波器实现1~5倍内插;使用了 5个寄存器存储5个数据，由第三级内 插倍数控制累加的寄存器数量，即控制滤波器阶数； 6) 通过改变采样率，重复1)_5)即可以得到时间演进连续衰落。
【文档编号】H04B17/391GK106059685SQ201610327570
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】朱秋明, 李 浩, 刘星麟, 胡续俊, 陈小敏, 杨志强, 毛开
【申请人】南京航空航天大学