本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種融合智能天線的mimo無線信道建模方法。

背景技術(shù)：

mimo(multiple-inputmultiple-output)技術(shù)作為新一代移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)，它在提高無線通信系統(tǒng)容量與可靠性方面顯示出了巨大的優(yōu)勢。借助于充分散射的傳播環(huán)境，mimo系統(tǒng)能建立起并行傳輸子信道，在不增加系統(tǒng)帶寬與發(fā)射功率的前提下，成倍地提高通信系統(tǒng)容量與可靠性。

mimo系統(tǒng)的性能，在很大的程度上受無線傳播環(huán)境的影響，因此，了解和掌握各種傳輸環(huán)境中mimo信道的特性，對實(shí)現(xiàn)mimo系統(tǒng)潛在的巨大信道容量、選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)優(yōu)良的信號處理算法至關(guān)重要。

mimo無線信道模型研究作為mimo技術(shù)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究，對mimo技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。首先，mimo信道模型的研究為人們優(yōu)化多天線排布指明了方向。其次，mimo空時(shí)碼方案都是在特定的信道模型下設(shè)計(jì)的，其性能需要在合理信道模型下加以驗(yàn)證與優(yōu)化。另外，mimo信道具有自身的特性，對這些特性的研究有助于人們研究性能更佳、更為簡便的信道估計(jì)算法，也有助于設(shè)計(jì)合理的信道反饋方案。由于mimo信道模型的重要性，對它的研究一直是mimo無線傳輸技術(shù)中的研究熱點(diǎn)之一。

mimo信道是一個(gè)矩陣信道，無論采用何種建模方法，首先應(yīng)該能準(zhǔn)確地反映實(shí)際mimo無線衰落信道的時(shí)域和頻域的衰落統(tǒng)計(jì)特征(信道衰落系數(shù))；其次，還應(yīng)該能夠比較準(zhǔn)確地描述引入了多元天線陣列后的信道空域衰落統(tǒng)計(jì)特征，特別是信道的空間相關(guān)特性。

目前用于mimo信道建模的方法主要有兩大類：一類是確定性衰落信道建模方法，這類方法基于對特定傳播環(huán)境的準(zhǔn)確描述，具體又可分為基于沖激響應(yīng)測量數(shù)據(jù)的方法和基于射線跟蹤的建模方法。另一類建模方法是基于統(tǒng)計(jì)特征的建模方法，與確定性建模方法相比，這類建模方法試圖利用統(tǒng)計(jì)平均的方法重新產(chǎn)生觀察到的mimo信道的衰落現(xiàn)象，具體包括基于幾何分布統(tǒng)計(jì)建模、參數(shù)化建模和基于衰落相關(guān)特性建模等方法。

現(xiàn)有的眾多mimo信道建模方法考慮的都是基于陣元通道的普通mimo結(jié)構(gòu)。然而，隨著應(yīng)用的需要，mimo的結(jié)構(gòu)正不斷地發(fā)生變化。一種熱門趨勢是通過在mimo中引入智能天線技術(shù)(smartantenna,sa)，利用智能天線在空間分辨力上的優(yōu)勢，降低mimo子信道的空間相關(guān)性并抑制空間干擾，從而進(jìn)一步提高了通信的可靠性和有效性。在這種融合了智能天線的mimo中，除了天線間的相關(guān)性，在各智能天線的波束之間也存在一定的相關(guān)性，因而其信道的空間特性將不同于普通mimo。顯然，對于這種特殊的mimo結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的針對普通mimo的信道模型將不再適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對在接收端融合智能天線的mimo通信結(jié)構(gòu)(簡稱mimo－sa)，提出了一種相應(yīng)的信道建模方法。本發(fā)明方法在模擬信道時(shí)，充分考慮了發(fā)送端陣元間的相關(guān)性和接收端波束間的相關(guān)性兩種影響子信道空間獨(dú)立性的因素，能夠很好的逼近實(shí)際的mimo－智能天線融合系統(tǒng)的傳播信道。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的。

一種融合智能天線的mimo無線信道建模方法，包括以下步驟：

步驟1：建立發(fā)送端天線相關(guān)矩陣：計(jì)算發(fā)送端任意兩個(gè)天線之間的空間相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建發(fā)送端的天線相關(guān)矩陣。

用p(θ)表示發(fā)送端信號的角度功率譜(pas)，發(fā)送端任意兩個(gè)間距為d的天線之間的空間相關(guān)系數(shù)為：

其中，z＝2πd/λ(λ為信號波長，d/λ表示歸一化天線間距)，j為虛數(shù)單位，θ表示發(fā)送端的信號離開角。

用(1≤m1≤m，1≤m2≤m，m表示發(fā)送端的天線數(shù))表示發(fā)送端第m1根和第m2根天線之間的相關(guān)系數(shù)，則經(jīng)計(jì)算共可得m²個(gè)天線相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而可構(gòu)造如下的天線相關(guān)矩陣：

顯然，在rtx中，且符號(·)^*表示求復(fù)數(shù)的共軛。因此在計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)，只需計(jì)算不同天線之間的相關(guān)系數(shù)，且在計(jì)算時(shí)，可由變換求得。

步驟2：建立接收端波束相關(guān)矩陣：計(jì)算接收端任意兩個(gè)智能天線波束之間的空間相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建接收端的波束相關(guān)矩陣。

用p(φ)表示接收端信號的pas，φ為接收端的信號到達(dá)角，則接收端第n1個(gè)和第n2個(gè)波束之間的空間相關(guān)系數(shù)由下式確定：

其中，d表示兩個(gè)智能天線的距離，fn1(φ)和fn2(φ)為兩個(gè)智能天線的功率方向圖，n為接收端智能天線的數(shù)目。

智能天線的功率方向圖可由下式確定：

fn(φ)＝|a(φn)^ha(φ)|，n＝1,2,...,n

其中，φn是第n個(gè)智能天線的波束指向，a(·)表示智能天線的導(dǎo)向矢量，由智能天線的幾何結(jié)構(gòu)和方向確定，φn表示智能天線的波束指向，n為智能天線標(biāo)識符，即a(φ)、a(φn)分別為智能天線在方向φ、φn上的導(dǎo)向矢量。

由計(jì)算出的n²個(gè)波束相關(guān)系數(shù)，構(gòu)造如下的波束相關(guān)矩陣：

步驟3：建立mimo－sa信道的整體相關(guān)矩陣：

利用發(fā)送端天線相關(guān)矩陣rtx和接收端波束相關(guān)矩陣rrx，建立mimo－sa信道的整體相關(guān)矩陣：

其中，表示kronecker積。

步驟4：計(jì)算mimo－sa信道的空間相關(guān)成形矩陣：對mn×mn的整體相關(guān)矩陣rmimo-sa進(jìn)行cholesky分解得到一個(gè)對稱映射矩陣c，c即為mimo－sa信道的空間相關(guān)成形矩陣，即

rmimo-sa＝cc^t

步驟5：生成空間獨(dú)立mimo的信道衰落系數(shù)：利用單輸入單輸出(siso)信道仿真模型生成獨(dú)立同分布(i.i.d)mimo子信道的衰落系數(shù)。用l表示系統(tǒng)可分辨的時(shí)延路徑數(shù)，則對于m×n維的mimo信道結(jié)構(gòu)，一共將產(chǎn)生l組m×n路獨(dú)立的信道衰落系數(shù)。

步驟6：根據(jù)信道的功率延時(shí)分布(pdp)，對不同的時(shí)延路徑進(jìn)行功率分配。

步驟7：計(jì)算所有延時(shí)路徑的信道系數(shù)矩陣：由mimo信道的時(shí)頻衰落特性和空間相關(guān)成形矩陣c，計(jì)算mimo－sa信道所有時(shí)延路徑的信道系數(shù)矩陣，第l條徑(時(shí)延路徑)的信道系數(shù)矩陣可由下式確定：

式中，vec(·)表示矩陣向量化運(yùn)算。pl是第l條徑的平均功率，由功率時(shí)延分布決定。m×n路的衰落系數(shù)元素為零均值單位方差的獨(dú)立同分布復(fù)高斯隨機(jī)變量，反映了mimo信道的時(shí)頻衰落特性。cl表示矩陣c的第l個(gè)列向量。

步驟8：建立mimo－sa信道矩陣：按照頻率選擇性信道的抽頭延遲線結(jié)構(gòu)，由l條時(shí)延路徑的信道系數(shù)矩陣h1,h2,...,hl和路徑時(shí)延建立如下的mimo－sa信道矩陣：

其中，τl表示第l條徑的路徑時(shí)延。

本發(fā)明方法針對接收端融合智能天線的mimo結(jié)構(gòu)，以波束為接收通道，簡化了信道結(jié)構(gòu)。該信道建模方法同時(shí)考慮了信道的空域、時(shí)域和頻域相關(guān)性。尤其是在模擬信道的空域相關(guān)性時(shí)，考慮了智能天線波束間的相關(guān)特性，更加真實(shí)的反應(yīng)了實(shí)際的信道特征。

附圖說明

圖1是mimo－sa信道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是mimo－sa信道路徑信道系數(shù)矩陣結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是mimo信道的抽頭延遲線模型示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例模擬通信上行鏈路(移動(dòng)端發(fā)送－基站端接收)的傳輸環(huán)境，其信道空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，移動(dòng)端(ms)用m＝3根均勻線性排列的全向天線發(fā)送信息，相鄰天線的歸一化距離為8。基站端(bs)用n＝3個(gè)智能天線波束定向接收信息，3個(gè)智能天線等間距(歸一化間距為5)、線性排列，且每個(gè)智能天線都是歸一化陣元間距為0.5，陣元數(shù)為ki＝3的均勻線陣。移動(dòng)端的天線和基站端的智能天線波束在空間構(gòu)成了一個(gè)“3×3”的mimo信道結(jié)構(gòu)。按照3gpp標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)端pas類型設(shè)為均勻分布，基站端pas類型設(shè)為截短拉普拉斯分布。其它，如路徑數(shù)目、各路徑時(shí)延及相對功率等也參照3gpp標(biāo)準(zhǔn)。

用實(shí)施例mimo－智能天線融合系統(tǒng)的信道建模如圖2所示：

步驟1.構(gòu)造移動(dòng)端天線相關(guān)矩陣：計(jì)算移動(dòng)端不同天線之間的空間相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建移動(dòng)端的天線相關(guān)矩陣。

ms端的pas為均勻分布，即

p(θ)＝q,θ∈[θ0-δ,θ0+δ]

其中，θ0表示發(fā)送端信號的平均離開角，δ表示角度擴(kuò)展，q＝1/2δ為歸一化常數(shù)，由表達(dá)式決定，即取q值使p(θ)滿足概率密度積分為1。

ms端任意兩個(gè)全向天線之間的空間相關(guān)系數(shù)由下式確定：

其中，z＝2πd/λ(λ為信號波長，d/λ表示歸一化天線間距)。

設(shè)表示發(fā)送端第m1根和第m2根天線之間的相關(guān)系數(shù)，利用上式首先計(jì)算出即

然后利用共軛對稱性得到：

最終可構(gòu)造如下的天線相關(guān)矩陣：

步驟2.構(gòu)造bs端的波束相關(guān)矩陣：計(jì)算bs端不同智能天線波束間的空間相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建接收端的波束相關(guān)矩陣。

bs端的pas為截短拉普拉斯分布，即

式中，φ0表示接收端信號的平均到達(dá)角，δ表示角度擴(kuò)展，

首先計(jì)算bs端每個(gè)智能天線的功率方向圖：設(shè)第n個(gè)智能天線的波束指向?yàn)棣課，則它的功率方向圖為

fn(φ)＝|a(φn)^ha(φ)|，n＝1,2,3.

其中，是該智能天線在方向φn上的導(dǎo)向矢量。

則接收端第n1個(gè)和第n2個(gè)波束之間的空間相關(guān)系數(shù)由下式確定：

其中，d表示這兩個(gè)智能天線之間的距離，和為兩個(gè)智能天線的功率方向圖。

由上式可計(jì)算出9個(gè)波束相關(guān)系數(shù)，然后構(gòu)造如下的波束相關(guān)矩陣：

步驟3.建立mimo－sa信道的整體相關(guān)矩陣：

利用移動(dòng)端的天線相關(guān)矩陣rtx和基站端的波束相關(guān)矩陣rrx，建立mimo－sa信道的整體相關(guān)矩陣：

步驟4.計(jì)算mimo－sa信道的空間相關(guān)成形矩陣：對9×9的整體相關(guān)矩陣rmimo-sa進(jìn)行cholesky分解得到一個(gè)對稱映射矩陣c，c即為mimo－sa信道的空間相關(guān)成形矩陣，即rmimo-sa＝cc^t。

步驟5.生成空間獨(dú)立mimo的信道衰落系數(shù)：利用改進(jìn)的jakes模型生成獨(dú)立同分布mimo子信道的衰落系數(shù)(幅度服從瑞利分布，相位服從均勻分布)。假設(shè)存在l條可分辨的時(shí)延路徑，則對于3×3維的mimo結(jié)構(gòu)，一共將產(chǎn)生l組3×3路獨(dú)立衰落信道系數(shù)。

步驟6.按照3gpp標(biāo)準(zhǔn)的pdp，完成對不同時(shí)延路徑的功率分配。

步驟7.計(jì)算所有時(shí)延路徑的信道系數(shù)矩陣：由mimo信道的時(shí)頻衰落特性和空間相關(guān)成形矩陣c，計(jì)算mimo－sa信道所有時(shí)延路徑的信道系數(shù)矩陣，第l條徑的信道系數(shù)矩陣可由下式確定：

其中，vec(·)是矩陣向量化運(yùn)算。pl是第l條徑的平均功率，由功率延遲分布決定。其元素為零均值，單位方差的獨(dú)立同分布復(fù)高斯隨機(jī)變量。

步驟8.建立mimo－sa信道矩陣：按圖3所示的抽頭延遲線模型構(gòu)建mimo頻率選擇性信道，由l條路徑的信道系數(shù)矩陣h1,h2,...,hl和路徑延時(shí)建立如下的mimo－sa信道矩陣：

其中，時(shí)延參數(shù)τl取值參照3gpp標(biāo)準(zhǔn)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。