一种基于双散射簇的非平稳信道模拟方法及模拟器技术

一种基于双散射簇的非平稳信道模拟方法及模拟器，包括处理系统平台、可编程逻辑平台、集成射频收发平台，可以模拟多种特殊场景的信道，根据用户输入的用户配置文件，包括移动端网络的布局、运动轨迹、场景参数等，精确低延时的模拟一种基于双散射簇的非平稳动态衰落信道对信道的影响，使用软硬联合的嵌入式架构，信道模型参数的计算交由CPU计算，信道模型中的卷积运算交由高并行性低时延的硬件实现；本发明专利技术根据用户输入的用户配置文件，精确低延时的模拟一种基于双散射簇的非平稳动态衰落信道的状况，用于无线通信系统及通信设备的性能实地测试和验证。实地测试和验证。实地测试和验证。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双散射簇的非平稳信道模拟方法及模拟器


[0001]本专利技术涉及信道建模
，具体涉及一种基于双散射簇的非平稳信道模拟方法及模拟器。

技术介绍

[0002]在城市街巷，楼宇内部，城市地下管网等特殊环境，信号在该类无线环境中传播时，在碰到障碍物时可能发生信号的吸收或反射，这使得发射机和接收机之间会存在多个传播路径，并且传播路径的传播距离和入射角度均不相同。近年来通过对5G等新一代通信环境的大量测试，其结果表明，基于几何形状的三维建信道模型能更精准的表述无线信道的特性，该类信道模型结合了信道的几何和稀疏性，将障碍物的吸收和散射，抽象为散射点散射，再由多个散射点归为一个散射簇，每一簇内散射点散射的路径具有相似的时延和到达角。在无线通信设备的研制和测试过程中，需要将其放在真实信道环境中进行测试，但这种测试手段成本高，周期长。为了降低研究成本缩短开发周期，通过信道建模和信道模拟器来对上述信道特性进行模拟是一种行之有效的方法。
[0003]中国专利“无线信道时延和衰落精确模拟装置及方法”(申请号CN202010799780.6)中公开了一种无线信道的模拟方法和构造，实现的具体步骤：首先用户在上位机设置通信场景参数，参数计算单元再根据用户输入进行参数计算，得到时延，多普勒和衰落等参数，然后通过PCIe总线将传输到时延模块，该模块将时延参数划分为几个精度时延，再将多精度延时后的信号输出到乘法单元；同时信道衰落模块根据参数计算单元传过来的衰落参数，产生信道衰落因子，然后将衰落因子输出到乘法单元，最后将乘法器得到的结果送入自动增益模块进行调整，内插到数模转换速率输出。该设计存在的不足之处是，在如今5G或6G的通信环境，模拟的信道不够精确，近场效应、散射簇的空时频非平稳性和空间一致性都未有很好的实现。
[0004]中国专利“多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法及信道模拟器”(申请号CN202011301021.9)中公开了一种信号并行的无线衰落信道模拟方法及信道模拟器，实现的具体步骤：首先对输入信号的每一路进行多径延迟，并对时延后的每一路信号进行相位和幅度调整，然后通过读取RAM存储的各种谱型的数据，经过FARROW适当的插值后生成与路径信号采样率匹配的色噪声，之后将不同路径的信号与速率匹配的色噪声相乘；将相乘后的每一路信号叠加后合并成一路信号，并将合并后的信号经过大尺度衰落单元，最后输出信号模拟过后信号。该方法存在的不足之处是，缺少角度信号的输入，延时模块精度不够精细，缺少高速的设计方案，可能在信道相干时间极短情况，无法准确的模拟。

技术实现思路

[0005]为了克服上诉现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种基于双散射簇的非平稳信道模拟方法及模拟器，可以模拟多种特殊场景的信道，根据用户输入的用户配置文件，包括移动端网络的布局、运动轨迹、场景参数等，精确低延时的模拟一种基于双散射簇
的非平稳动态衰落信道对信道的影响。使用软硬联合的嵌入式架构，信道模型参数的计算交由处理系统平台(PS)计算，信道模型中的卷积运算交由可编程逻辑平台(PL)实现，用于无线通信系统及通信设备的性能实地测试和验证。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于双散射簇的非平稳信道模拟方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，用户在PC上创建网络布局文件,文件包含收发端的初始位置、运动速度和轨迹和路径轨迹上的场景参数；首先生成多个独立具有空间一致性的3D空间相关的随机变量，并使用这些随机变量实例化网络布局文件中的场景参数；
[0009]步骤2，为收发端初始化多组中心散射子径，中心散射子径定义为被双散射簇中心散射的传播路径，然后为每一条中心散射子径分配功率值；在该过程中，保持初始化的延迟和角度值不变；
[0010]步骤3，根据步骤1中实例化的场景参数修正中心散射子径的延迟、角度和功率，以准确反映场景参数；
[0011]步骤4，给每对双散射簇加入剩余散射子径，并结合步骤3得到的延时和角度，计算每对双散射簇中所有散射点的位置；当移动端移动到不同信道采样点时，根据收发端和双散射簇移动的几何关系来更新角度信息和延时相位信息；
[0012]步骤5，为每一个路径加入剩余场景参数的影响，即路径损耗和阴影衰落；由于信道系数数值移动产生时变，要在每个采样点都进行步骤4和步骤5，并在场景变化的过渡区采用升余弦函数来模拟信道参数的平滑过渡，最后得出每个采样点的信道冲激响应；
[0013]步骤6，根据结果为每个采样点生成每组双散射簇路径的信道参数矩阵，并以二进制文件的形式存储在PC的ram内；利用DMA将存储的信道参数搬到FPGA内的FIFO实现软件到硬件的信息交互；需要模拟的信号经射频接口输入到集成射频模块，通过一系列变换采样成数字基带I/Q信号，通过IDDR模块将双沿信号转化为易于基带处理的单沿信号，最后送入基带信道模拟模块；基带信道模拟模块划分为延时模块、浮点数模块、衰减模块、频相偏模块、白噪声模块、整合模块、浮点数模块；
[0014]步骤7，缓存参数的FIFO与基带信道模拟模块相连；基带信号进入延时模块，延时模块根据读取数值对每路信号进行多精度延时，然后将延时后信号输入到浮点数模块，浮点数模块将定点数转化为浮点数用于后续的高精度数学运算；
[0015]步骤8，浮点数模块输出信号先后通过频相偏模块，频相偏模块根据存储的参数对信号进行幅值、频率和相位的调整，之后将调整后的多路信号输入整合模块，将每一簇代表数据进行和白噪声模块产生的噪声求和，并输出一路信号；
[0016]步骤9，将输出一路信号再输入到定点数模块，定点数模块将浮点数据转换为截位后的定点数，最后通过射频模块上变频，还原回射频信号输出。
[0017]一种基于双散射簇的非平稳信道模拟器，包括：
[0018]处理系统平台，用于动态生成一种基于双散射簇的非平稳信道的信道系数；处理系统平台包括用户配置信道参数模块、信道系数计算模块、DMA控制器和内存与内存控制，信道系数计算模块由上述步骤1
‑
步骤5的逻辑实现；
[0019]可编程逻辑平台，包括基带信道模拟模块、射频寄存器配置模块和信道参数配置模块；基带信道模拟模块负责信道处理功能，将从射频端接收的基带数据进行一系列数学
计算，实现信号的衰减、相位偏移、频偏和加入白噪声等功能，基带信道模拟模块由上述步骤7
‑
步骤9的逻辑实现。
[0020]集成射频收发平台，用于接收和发送待测试通信系统或通信设备的射频信号，将射频信号经过放大、混频和滤波等流程转化为供FPG A可编程逻辑平台处理的基带I/Q信号，由上述步骤6的逻辑实现。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]本专利技术主体内容分两大部分，第一部分为处理系统平台，使用的是一种自主设计的基于双散射簇的非平稳信道模型和模拟方法；第二部分为可编程逻辑平台，通过逻辑电路实现功能。本专利技术根据用户输入的用户配置文件，精确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双散射簇的非平稳信道模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，用户在PC上创建网络布局文件,文件包含收发端的初始位置、运动速度和轨迹和路径轨迹上的场景参数；首先生成多个独立具有空间一致性的3D空间相关的随机变量，并使用这些随机变量实例化网络布局文件中的场景参数；步骤2，为收发端初始化多组中心散射子径，中心散射子径定义为被双散射簇中心散射的传播路径，然后为每一条中心散射子径分配功率值；在该过程中，保持初始化的延迟和角度值不变；步骤3，根据步骤1中实例化的场景参数修正中心散射子径的延迟、角度和功率，以准确反映场景参数；步骤4，给每对双散射簇加入剩余散射子径，并结合步骤3得到的延时和角度，计算每对双散射簇中所有散射点的位置。当移动端移动到不同信道采样点时，根据收发端和双散射簇移动的几何关系来更新角度信息和延时相位信息；步骤5，为每一个路径加入剩余场景参数的影响，即路径损耗和阴影衰落；由于信道系数数值移动产生时变，要在每个采样点都进行步骤4和步骤5，并在场景变化的过渡区采用升余弦函数来模拟信道参数的平滑过渡，最后得出每个采样点的信道冲激响应；步骤6，根据结果为每个采样点生成每组双散射簇路径的信道参数矩阵，并以二进制文件的形式存储在PC的ram内；利用DMA将存储的信道参数搬到FPGA内的FIFO实现软件到硬件的信息交互；需要模拟的信号经射频接口输入到集成射频模块，通过一系列变换采样成数字基带I/Q信号，通过IDDR模块将双沿信号转化为易于基带处理的单沿信号，最后送入基带信道模拟模块；基带信道模拟模块划分为延时模块、浮点数模块、衰减模块、频相偏模块、白噪声模块、整合模块、浮点数模块；步骤7，缓存参数的FIFO与基带信道模拟模块相连；基带信号进入延时模块，延时模块根据读取数值对每路信号进行多精度延时，然后将延时后信号输入到浮点数模块，浮点数模块将定点数转化为浮点数用于后续的高精度数学运算；步骤8，浮点数模块输出信号先后通过频相偏模块，频相偏模块根据存储的参数对信号进行幅值、频率和相位的调整，之后将调整后的多路信号输入整合模块，将每一簇代表数据进行和白噪声模块产生的噪声求和，并输出一路信号；步骤9，将输出的一路信号再输入到定点数模块，定点数模块将浮点数据转换为截位后的定点数，最后通过射频模块上变频，还原回射频信号输出。2.权利要求1所述方法采用的一种基于双散射簇的非平稳信道模拟器，其特征在于，包括：处理系统平台，用于动态生成一种基于双散射簇的非平稳信道的信道系数；处理系统平台包括用户配置信道参数模块、信道系数计算模块、DMA控制器和内存与内存控制，其中信道系数计算模块由上述步骤1
‑
步骤5的逻辑实现；可编程逻辑平台，包括基带信道模拟模块、射频寄存器配置模块和信道参数配置模块；基带信道模拟模块负责信道处理功能，将从射频端接收的基带数据进行一系列数学计算，实现信号的衰减、相位偏移、频偏和加入白噪声等功能，基带信道模拟模块由上述步骤7
‑
步骤9的逻辑实现；集成射频收发平台，用于接收和发送待测试通信系统或通信设备的射频信号，将射频
信号经过放大、混频和滤波等流程转化为供FPGA可编程逻辑平台处理的基带I/Q信号，由上述步骤6的逻辑实现。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，首先用户在PC上创建网络布局文件，文件包含收发端的初始位置、运动轨迹、运动速度、各个天线的参数和路径轨迹上的场景参数；然后生成多个独立具有空间一致性的3D空间相关的随机变量，并使用这些随机变量实例化网络布局文件中的场景参数，需要实例化的场景参数包括时延扩展、角度扩展、簇角度扩展、莱斯因子和阴影衰落；对于场景参数的实例化建模，以延时扩展为例，其定义为对数正态分布：其中DS(s)为延时扩展，s＝{x
t
,y
t
,z
t
,x
r
,y
r
,z
r
}为收发端位置向量，(x
t
,y
t
,z
t
)和(x
r
,y
r
,z
r
)别为发射端和接收端的位置坐标；Z
DS
(s)为空间相关的正态分布，并表示为：Z
DS
(s)＝μ
DS
+μ
d
log
10
(d
TR
)+X
DS
(s){σ
DS
+σ
d
log
10
(d
TR
)}其中d
TR
为收发端距离，可由s向量得出；μ
DS
和σ
DS
分别为具有归一化距离，d
TR
＝1m条件时，高斯变量的均值和标准差；μ
d
和σ
d
分别为均值和标准差的距离缩放比例系数；X
DS
～N(0,1)是具有六维空间相关性的标准正态分布,根据收发具有互易原理，X
DS
表示为：其中为步骤1生成的空间相关随机变量，其分布为标准正态分布，的空间自相关函数ρ(Δd)建模成：其中Δd为空间两点的欧式距离，d1为解相关性距离，定义为相关系数为e
‑1时空间欧式距离；当Δd≥d1,认为两个随机变量的空间自相关性很低，近似相互独立，当Δd＜d1,根据比例系数k来描述两个近点间的相关性；步骤2，为收发端初始化多组双散射簇中的中心散射子径，其中初始化归一化参数有中心散射子径的延时、水平离开角、垂直离开角，水平到达角、水平离开角，初始化方法与步骤1中场景参数的实例化类似，只需要改变不同参数的分布模型，然后给每一条中心散射子径分配功率值；第m条双散射簇的中心散射子径功率P
′
m
分配为：其中τ
m
为路径延时，r
τ
为延时分布比例因子，DS(s)为步骤1的延时扩展；步骤3，根据步骤1中的场景参数修正中心子径的延迟、角度和功率，以准确反映场景参数；场景参数是根据测量实际环境得出的具有统计特性的一组样本，而中心子径的延迟、角度和功率是一组小尺度随机样本，需要对后者修正，使得二者在统计意义上具有一致性；在功率修正中，需要参照场景参数莱斯因子，首先生成直视路径功率P1′
，然后对M
‑
1个中心散射子径的功率进行归一化：
在角度参数修正中，这里以水平离开角为例，需要参照场景参数水平离开角扩展，由于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘毅，王世鑫，张席畅，贾锦东，陈云鹤，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：