毫米波MIMO波束域信道建模方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于大规模MIMO的波束域建模方法，包括建立表征MIMO信道的几何域CI R系统模型，通过酉矩阵进行波束域转换，得波束域CI R系统模型，波束域CI R系统模型的发射机和接收机之间的散射环境被建模为单跳簇与双跳簇；对单跳簇与双跳簇进行3D建模，得到单跳簇与双跳簇复合存在的3D模型；采用可视区理论将单跳簇与双跳簇在平面天线阵列上进行可视区建模，生成单跳簇与双跳簇的可视区在水平和竖直方向的位置与长度，以表征信道非平稳性。本发明专利技术考虑MIMO信道的富散射特性，引入单/双跳簇，描述了簇在天线平面阵列上的可视区，模拟大规模MIMO信道的时空频非平稳性，仿真结果表明，该建模方法具有良好的有效性。该建模方法具有良好的有效性。该建模方法具有良好的有效性。

【技术实现步骤摘要】
毫米波MIMO波束域信道建模方法及系统


[0001]本专利技术涉及信道建模
，尤其是一种基于毫米波MIMO的波束域建模方法及系统。

技术介绍

[0002]在大规模MIMO系统中，基站(Base Station)配备了大量天线，导致了巨大的收发器复杂性。而将系统信道从空间域转换为波束域(Beam Domain)是一个有效的方案。波束域信道建模是通过在角度域中对传播环境进行采样，表征发射和接收波束之间的功率耦合。随着天线数量的增加，波束域的信道元素趋于不相关，信道元素的衰落减小，并表现出频率平坦特性。
[0003]随着无线频谱资源的日益短缺，毫米波频段的开发成为通信领域的研究热点之一。与低于6GHz的频带相比，由于处于复杂的富散射环境，毫米波频段的大规模MIMO信道具有更显著的散射效应和高衰减。对于毫米波频段波束域建模，需要使用更加准确细分的簇建模来表征毫米波频段簇的分布。
[0004]许多波束域信道研究和测量结果表明，大规模MIMO技术的引入使得波束域信道中簇的空间非平稳特性不可忽视。因此，在毫米波频段建立一个精确的大规模MIMO波束域信道模型是至关重要的。一般来说，信道建模表征簇的非平稳性有两种不同的方法：第一种是生灭亡(BD)过程，重点关注簇群在时间上的演化；第二种是簇可视区域(VR)方法，VR指的是天线阵列上的一个区域，每个簇被分配给一个特定的VR，只有当天线在VR中时，天线才能观察到相应的簇。因此，在毫米波频段建立一个表征空间非平稳性的大规模MIMO波束域信道模型是至关重要的。
专利
技术实现思路

[0005]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提出一种基于毫米波MIMO的波束域建模方法及系统，其考虑MIMO信道的富散射特性，引入单/双跳簇，并描述了簇在天线平面阵列上的可视区，模拟大规模MIMO信道的时空频非平稳性，仿真结果表明，该建模方法具有良好的有效性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于毫米波MIMO的波束域建模方法，包括以下步骤：
[0007]S1、建立表征MIMO信道的几何域CIR系统模型，通过酉矩阵进行波束域转换，得到波束域CIR系统模型，其中，所述波束域CIR系统模型采用单跳与双跳传播的复合机制，波束域CIR系统模型对应的发射机和接收机之间的散射环境被建模为单跳簇与双跳簇；
[0008]S2、基于毫米波信道的富散射特征，对S1中的单跳簇与双跳簇的参数进行3D建模，得到单跳簇与双跳簇复合存在的3D模型，其中，所述3D建模包括单跳簇与双跳簇的几何分布、角度、延时和功率；
[0009]S3、采用可视区理论将单跳簇与双跳簇在平面天线阵列上进行可视区建模，生成
单跳簇与双跳簇的可视区在水平和竖直方向的位置与长度，以表征信道非平稳性。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述S1中的单跳簇与双跳簇表示为：单跳簇表示发射端到单跳簇再到接收端的虚拟链路；一对双跳簇表示发射机到第一次反射簇的第一次反弹和由最后一次反射簇到接收机的最后一次反弹以及第一次反弹和最后一次反弹之间的多次反弹组成的虚拟链路。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述S1中建立表征MIMO信道的几何域CIR系统模型，通过酉矩阵进行波束域转换，得到波束域CIR系统模型的方法包括：
[0012]S1.1、建立几何域CIR系统模型如下：
[0013][0014]其中，
[0015][0016][0017][0018]式中，h
i，j
(τ)表示发射端第i行、第j列天线与接收端之间的冲激响应，SBC表示单跳簇，DBC表示双跳簇，LOS表示视线部分，K
R
表示莱斯因子，P
k
表示第k条路径在发射端与接收端之间的归一化总功率，η
SBC
和η
DBC
分别为单跳簇和双跳簇的散射功率占比，表示发射端与接收端之间的冲激响应，其中：
[0019][0020][0021]式中，d
h
和d
v
分别表示均匀平面天线阵列中相邻天线在方位角和仰角上的间距，和分别表示第k条路径的基站侧和用户侧的方位角；和分别表示第k条路径的基站侧和用户侧的仰角，v
k
表示多普勒频移，其中，f
k
＝v/λ，λ表示波长，v和α分别表示用户侧的移动速度和移动方位角；f
c
表示载波频率，τ
k
表示第k条路径的传播延迟，Φ
k
表示第k条路径的相移；
[0022]S1.2、记中将均匀平面天线阵列的响应矩阵写为：
[0023][0024]S1.3、引入变换矩阵进行波束域转换，得到：
[0025][0026]其中：
[0027][0028][0029]式中，I
s
和I
e
分别为可视区在均匀平面天线阵列上天线的起始索引与结束索引。
[0030]在本专利技术的一个实施例中，所述S2中对单/双跳簇的参数进行3D建模的方法包括：
[0031]S2.1、基于单/双跳簇到发射端、接收端的距离服从指数分布对单/双跳簇的几何分布进行建模；
[0032]S2.2、基于单/双跳簇的方位角服从冯
·
米塞斯分布，仰角服从余弦分布，对单/双跳簇的几何分布进行建模；
[0033]S2.3、根据单/双跳簇的角度参数，获得单/双跳簇在发射机和接收机侧的距离矢量，基于所述距离矢量对单/双跳簇的延时、频移、相移建模；
[0034]S2.4、根据S2.3得到的延迟对单/双跳簇的功率建模。
[0035]在本专利技术的一个实施例中，所述S2.1的方法包括：令单/双跳簇到发射端、接收端的距离服从指数分布为得到单/双跳簇的几何分布为其中，k
d
表示指数分布的距离参数。
[0036]在本专利技术的一个实施例中，所述S2.2的方法包括：令单/双跳簇的方位角服从冯
·
米塞斯分布，仰角服从余弦分布，其中，分别表示单/双跳簇和发射天线阵列中心之间的方位角和仰角，分别表示单/双跳簇和接收天线阵列中心之间的方位角和仰角。
[0037]在本专利技术的一个实施例中，所述S2.3的方法包括：
[0038]根据角度参数，获得单/双跳簇到发射机和接收机阵列中心的距离矢量根据角度参数，获得单/双跳簇到发射机和接收机阵列中心的距离矢量
[0039]其中，D表示接收机的初始位置矢量，分别表示服从指数分布的和的Frobenius范数；
[0040]LoS分量的多普勒频移与相移分别为：
[0041][0042][0043]其中LoS路径分量的距离
[0044]式中，表示与之间的LoS距离矢量，表示发射端的天线p，表示接收端的天线q，分别是和的3D位置矢量，和分别表示发射端天线和接收端天线的最大多普勒频移，v
T
和v
R
分别为发射端和接收端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波MIMO的波束域建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立表征MIMO信道的几何域CIR系统模型，通过酉矩阵进行波束域转换，得到波束域CIR系统模型，其中，所述波束域CIR系统模型采用单跳与双跳传播的复合机制，波束域CIR系统模型对应的发射机和接收机之间的散射环境被建模为单跳簇与双跳簇；S2、基于毫米波信道的富散射特征，对S1中的单跳簇与双跳簇的参数进行3D建模，得到单跳簇与双跳簇复合存在的3D模型，其中，所述3D建模包括单跳簇与双跳簇的几何分布、角度、延时和功率；S3、采用可视区理论将单跳簇与双跳簇在平面天线阵列上进行可视区建模，生成单跳簇与双跳簇的可视区在水平和竖直方向的位置与长度，以表征信道非平稳性。2.根据权利要求1所述的基于毫米波MIMO的波束域建模方法，其特征在于，所述S1中的单跳簇与双跳簇表示为：单跳簇表示发射端到单跳簇再到接收端的虚拟链路；一对双跳簇表示发射机到第一次反射簇的第一次反弹和由最后一次反射簇到接收机的最后一次反弹以及第一次反弹和最后一次反弹之间的多次反弹组成的虚拟链路。3.根据权利要求1所述的基于毫米波MIMO的波束域建模方法，其特征在于，所述S1中建立表征MIMO信道的几何域CIR系统模型，通过酉矩阵进行波束域转换，得到波束域CIR系统模型的方法包括：S1.1、建立几何域CIR系统模型如下：其中，其中，其中，式中，h
i,j
(τ)表示发射端第i行、第j列天线与接收端之间的冲激响应，SBC表示单跳簇，DBC表示双跳簇，LoS表示视线部分，K
R
表示莱斯因子，P
k
表示第k条路径在发射端与接收端之间的归一化总功率，η
SBC
和η
DBC
分别为单跳簇和双跳簇的散射功率占比，表示发射端与接收端之间的冲激响应，其中接收端之间的冲激响应，其中且式中，d
h
和d
v
分别表示均匀平面天线阵列中相邻天线在方位角和仰角上的间距，和分别表示第k条路径基站侧和用户侧的方位角；和分别表示第k条路径的基站侧和用户侧的仰角；υ
k
表示多普勒频移，其中，f
k
＝v/λ，λ表示波长，v和α分别表示用户侧的移动速度和移动方位角；f
c
表示载波频率，τ
k
表示第k条路径的传播延迟，Φ
k
表示第k条路径的相移；
S1.2、记中将均匀平面天线阵列的响应矩阵写为：S1.3、引入变换矩阵进行波束域转换，得到：其中：其中：式中，I
s
和I
e
分别为可视区在均匀平面天线阵列上天线的起始索引与结束索引。4.根据权利要求1所述的基于毫米波MIMO的波束域建模方法，其特征在于，所述S2中对单/双跳簇的参数进行3D建模的方法包括：S2.1、基于单/双跳簇到发射端、接收端的距离服从指数分布对单/双跳簇的几何分布进行建模；S2.2、基于单/双跳簇的方位角服从冯
·
米塞斯分布，仰角服从余弦分布,对单/双跳簇的几何分布进行建模；S2.3、根据单/双跳簇的角度参数，获得单/双跳簇在发射机和接收机侧的距离矢量，基于所述距离矢量对单/双跳簇的延时、频移、相移建模；S2.4、根据S2.3得到的延迟对单/双跳簇的功率建模。5.根据权利要求4所述的基于毫米波MIMO的波束域建模方法，其特征在于，所述S2.1的方法包括：令单/双跳簇到发射端、接收端的距离服从指数分布为得到单/双跳簇的几何分布为其中，k
d
表示指数分布的距离参数。6.根据权利要求4所述的基于毫米波MIMO的波束域建模方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，钱昊，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：