空时一致性下的三重非平稳无线通信信道建模方法技术

本发明专利技术公布了一种空时一致性下的三重非平稳无线通信信道建模方法，通过捕捉环境中的簇在空时域平滑一致的演进以及建模频率相关的路径增益，有机融合了具有低复杂度的参数法和高精确度的几何法，实现了平滑一致的簇演进、簇功率的软切换和频率相关的路径增益的有效建模，解决现有的信道模型无法对空时一致性下的信道空时频非平稳特性建模的难题，提高了构建信道模型的精确度和通用性。采用本发明专利技术方法构建的毫米波大规模MIMO高动态场景下的统计信道模型具有高准确性和简单易行的特点，能支撑通信和通感一体化系统的合理设计与性能分析，同时为无线通信网络系统级算法提供一个真实可靠的仿真验证平台。真实可靠的仿真验证平台。真实可靠的仿真验证平台。

【技术实现步骤摘要】
空时一致性下的三重非平稳无线通信信道建模方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种空时一致性下的三重非平稳无线通信信道建模方法及系统，构建一个空时一致性下的空时频非平稳统计信道模型，可以有效支撑系统的合理设计与性能分析，同时为无线通信网络系统级算法提供一个真实可靠的仿真验证平台。

技术介绍

[0002]为满足应用需求和实现全球覆盖，无线通信网络将依托有效的使能技术，同时向空天地一体化网络进行延伸。大规模多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output,MIMO)技术和毫米波是两个典型的通信使能技术。大规模MIMO可以显著提高通信可靠性和频谱效率，而具有高频段大带宽的毫米波可以方便安装大规模MIMO并提供高数据速率。同时，空天地一体化网络关注更多样和更高动态性的移动通信场景。众所周知，为了支撑无线通信系统的成功设计，一个真实可靠且易于使用的信道模型是必不可少的
[0003]基于测量，当毫米波和大规模MIMO技术联合应用于高动态移动通信场景时，对应的信道会展现出一个显著的信道特性，即空时频非平稳特性。这意味着信道统计特性将在空间、时间和频域上变化，其背后的物理机制可以描述如下。首先，在大规模MIMO通信信道中，簇的生灭会出现在大规模天线阵列上，即簇在空间域的演进，使得不同的天线具有不同的可视簇集合，导致信道的空间非平稳特性。其次，在高速移动通信场景下的信道中，环境中的簇会有快速的生灭现象，即簇的时间域演进，使得不同时刻下环境中具有不同的可视簇集合，导致信道的时间非平稳特性。最后，在毫米波通信信道中，不同频率分量会具有相关性从而展现出频率相关的路径增益，导致信道的频率非平稳特性。
[0004]除了信道的空时频非平稳特性，测量表明，在毫米波大规模MIMO高动态移动场景下，通信信道仍存在一个重要的特征，即空时一致性。具体而言，相邻天线的间隔在毫米波通信时很小，使其共享大量的可视簇。在这种情况下，可视簇会在天线阵列/空间域平滑一致的演进，从而相邻天线的子信道会经历相似的传输机制，展现出空间一致性。与此同时，毫米波高动态场景下的信道存在显著的多普勒扩展。由于信道的相干时间与多普勒频移成反比例关系，所以信道具有较小的相干时间而需要被频繁地更新。在这种情况下，信道在相邻时刻会共享大量的可视簇，从而可视簇会在时间域平滑一致的演进。这使得相邻时刻的信道会经历相似的传输机制，展现出时间一致性。另外，毫米波通信由于具有高路径损耗的特点，使得环境中的簇的数目少，所以每个簇对信道都存在不可忽视的影响。这进一步需要捕捉每个簇随着时间的变化和阵列上的天线的变化而平滑一致的演进。另外，未来的通感一体化系统能借助感知单元获取周围物理环境信息，这使得环境中的簇的变化应被真实且一致地捕获，从而为通感一体化系统提供随空时连续平滑变化的信道冲激响应。
[0005]综上，在毫米波大规模MIMO高动态移动通信场景下，一个显著的信道特性，即空时频非平稳特性，和一个重要的信道特征，即空时一致性，需要被合理地建模与捕捉。然而，目前采用现有的信道建模技术难以表征簇在空时域的平滑一致的生灭与演进，也无法进一步
建模频率相关的路径增益。因此，现有技术尚未能实现空时一致性下的信道空时频非平稳特性的信道建模，构建信道模型的精确度和通用性较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种空时一致性下的三重非平稳无线通信信道建模方法，可构建空时一致性下的空时频非平稳统计信道模型，通过捕捉环境中的簇在空时域平滑一致的演进以及建模频率相关的路径增益，解决了现有的信道模型无法对空时一致性下的信道空时频非平稳特性建模的难题，提高了构建信道模型的精确度和通用性。
[0007]在本专利技术中，开发了一种有能力联合建模空时一致性下的信道空时频非平稳的混合法，该混合法有机融合了具有低复杂度的参数法和高精确度的几何法，实现了平滑一致的簇演进和频率相关的路径增益的有效建模，可构建毫米波大规模MIMO高动态场景下的统计信道模型。采用本专利技术方法构建的信道模型具有高准确性和简单易行的特点，能支撑通信和通感一体化系统的合理设计与性能分析。同时，该信道模型也能为系统级算法提供一个真实可靠的仿真验证平台。
[0008]为达到上述目的，本专利技术设计了空时一致性下的三重非平稳信道模型的建模架构，包括：1、给出信道模型的几何表征以及确定信道模型的典型参数；2、利用可视区域几何法，即在建模时考虑几何散射环境和簇的平滑连续运动，以每个天线元件为球心构建基于天线的可视球(Antenna Based Visible Sphere,ABVS)和以环境中的每个簇为球心构建基于簇的可视球(Cluster Based Visible Sphere,CBVS)，分别建模簇在空间域和时间域的平滑一致的生灭和演进；3、利用参数法，基于一致连续理论和有界变差函数，引入一个可视数学因子来建模有效簇在时空域演进时功率的平滑一致生成与消退，即簇功率的软切换；4、计算信道冲激响应和信道传递函数，并利用参数法，引入一个频率相关的数学因子来捕捉频率相关的路径增益；5、随机地生成新生簇和簇内射线并确定他们的参数。
[0009]本专利技术的空时一致性下的空时频非平稳无线通信信道模型的构建包括如下步骤：
[0010]1)在初始时刻t
n
＝t0，确定和计算与收发端天线阵列相关的参数，包括速度、角度、距离。同时，在环境中随机地生成指定数量的簇，并将生成的簇离收发端阵列中心的距离服从指数分布随机地放置，并利用簇与收发端天线阵列的几何关系确定簇的参数，包括簇的速度、角度、距离、时延和功率。基于环境中的簇，簇内可解析的射线的数量服从泊松分布随机地生成，并将生成的簇内可解析的射线离簇的中心的距离服从指数分布随机地放置，同样确定簇内可解析的射线的速度、角度、距离、时延和功率。
[0011]2)基于可视区域几何法，提出阵列
‑
可视区域法和时间
‑
可视区域法。以每个天线元件为球心构建基于天线的可视球ABVS和以环境中的每个簇为球心构建基于簇的可视球CBVS。利用阵列
‑
可视簇的条件和时间
‑
可视簇的条件，分别确定在时刻t
n
环境中的阵列
‑
可视簇和时间
‑
可视簇。进一步地，基于阵列
‑
可视簇集合与时间
‑
可视簇集合确定在时刻t
n
的有效簇集合。
[0012]3)基于步骤2)中确定的时刻t
n
有效簇集合，借助于一致连续理论和有界变差函数，应用参数法，即在有效簇功率的计算中引入可视数学因子，捕捉有效簇在空时域演进时功率的软切换。
[0013]4)计算在时刻t
n
下的信道冲激响应，并对信道冲激响应做傅里叶变换得到信道传
递函数。应用参数法，即在信道传递函数中引入频率相关的数学因子，以捕捉频率相关的路径增益。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空时一致性下的空时频非平稳无线通信信道模型的构建方法，包括如下步骤：1)在初始时刻，确定和计算与收发端天线阵列相关的参数；在环境中随机生成和放置簇，并确定簇的参数；基于环境中的簇，随机生成和放置簇内可解析的射线，并确定相关参数；2)设计阵列
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可视区域法和时间
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可视区域法，以每个天线元件为球心构建基于天线的可视球ABVS，以环境中的每个簇为球心构建基于簇的可视球CBVS；利用阵列
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可视条件和时间
‑
可视条件，分别确定在时刻t
n
环境中的阵列
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可视簇和时间
‑
可视簇；进一步地，基于阵列
‑
可视簇的集合与时间
‑
可视簇的集合确定在时刻t
n
的有效簇的集合；包括步骤S21～S23：S21：设计阵列
‑
可视区域法，用于确定时间
‑
可视簇的集合；S211：以每个天线元件为球心的球作为三维信道模型的可视区域，构建基于天线的可视球ABVS；当一个簇的收缩距离在天线的ABVS中时，该簇对该天线可视，该簇即为一个阵列
‑
可视簇；不同的天线具有不同阵列
‑
可视簇的集合；S212：将ABVS的半径设为空间平稳区间，此时信道在该区间为平稳，簇保持可视状态，即不存在簇的生灭切换；获得空间平稳区间包括如下过程：定义两根天线元件间共享簇的数量与该天线的阵列
‑
可视簇的数量的比例Λ
T/R
，该值等于两个天线的重叠区域的体积与ABVS体积的比例，表示天线间相关性的大小；通过计算得到空间平稳区间Δs
T/R
，具体是：令s
T/R
是初始的天线间隔，即s
T
＝|l
‑
l'|和s
R
＝|k
‑
k'|；Δs
T/R
代表ABVS半径横跨的发射端/接收端天线阵列的长度；当Δs
T/R
＝R
A,T/R
时，Δs
T/R
为空间平稳区间，表示为：R
A,T/R
为ABVS的半径；即空间平稳区间被确定为可视区域ABVS的半径R
A,T/R
；其中，ε
a
是天线相关性的阈值和inf{
·
}决定了一个函数的下确界；S214：明确阵列
‑
可视簇的条件，具体步骤如下：首先，计算收缩距离参数和其中是簇离第l根天线元件的距离和是发射端的收缩因子；是簇离第k根天线元件的距离和是接收端的收缩因子；代表了在的作用下，将簇离第l根天线元件的距离进行收缩映射后的距离；代表了在的作用下，将簇离第k根天线元件的距离进行收缩映射后的距离；S215：基于阵列
‑
可视簇的条件，有效地确定阵列
‑
可视簇的集合；
若簇的距离满足该簇为发射端/接收端阵列
‑
可视簇；反之，若簇的距离满足该簇为发射端/接收端阵列
‑
不可视簇；S22：提出时间
‑
可视区域法，用于确定时间
‑
可视簇的集合；包括步骤如下：S221：首先，确定时间
‑
可视区域的形状，以每个簇为球心分配一个球型的可视区域，命名为CBVS；当天线阵列的中心位于簇的CBVS外时，该簇为一个时间
‑
不可视簇；反之，当天线阵列的中心位于簇的CBVS内时，该簇为一个时间
‑
可视簇；不同的时刻环境中具有不同的时间
‑
可视簇的集合；S222：定义CBVS的半径为时间平稳距离；S223：通过计算时间域上的平稳区间L(t)，计算得到时间平稳区间；将在时刻t时的信道功率延迟分布表示为：将时间平稳区间L(t)表示为：其中，R
Ω
(t,Δt)是功率延迟分布的时间自相关函数和ε
t
是时间相关性的阈值；S224：利用簇的速度，将得到的时间平稳区间扩展为时间平稳距离，从而确定CBVS的半径具体地，CBVS的半径数值上等于时间平稳距离表示为：表示为：S224：利用构建的CBVS明确时间
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可视簇条件，确定时间
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可视簇的集合和时间
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不可视簇的集合；具体包括：确定簇的时间
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可视条件如下：若发射端/接收端的中心位于CBVS内，即满足则对应的簇为发射端/接收端时间
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可视簇；反之，若发射端/接收端的中心位于CBVS外，即满足则对应的簇为发射端/接收端时间
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不可视簇；S225：再基于时间
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可视簇的条件，有效地确定环境中的时间
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可视簇的集合；S23：基于S21中确定的发射端/接收端阵列
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可视簇的集合和S...

【专利技术属性】
技术研发人员：程翔，黄子蔚，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：