一种超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法技术

本发明专利技术公开了一种超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，其具体步骤包括：1)设置仿真参数、网络布局等，产生初始大尺度参数，并基于模型初始化参数生成初始簇；2)更新大尺度和小尺度参数；3)产生几何随机信道模型信道系数、导向矩阵及波束域信道矩阵；4)分析信道特性，并通过与测量数据对比验证模型准确性。本发明专利技术建立的无线信道建模方法，支持球面波及空域非平稳特性，能够实现近场条件下几何随机到波束域信道模型的转换。通过空

【技术实现步骤摘要】
一种超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法


[0001]本专利技术属于一种超大规模MIMO无线信道建模的
，尤其涉及一种超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法。

技术介绍

[0002]第六代(sixth generation，6G)移动通信系统提出了全覆盖、全频谱、全应用及强安全的愿景。超大规模MIMO作为6G全应用场景的关键技术之一，吸引了越来越多的关注。当基站端采用成百上千甚至上万个天线时，频谱效率大大增加；同时，随着基站端天线数目的增加，用户之间的信道矢量趋于正交，从而可以服务更多的用户，增大连接数密度。这些优点为6G移动通信系统实现巨流量、巨连接的目标提供了可能。
[0003]信道测量、特性分析及建模是超大规模MIMO通信系统设计及性能评估的前提。在通过信道测量充分了解超大规模MIMO的信道特性后，提出相应的信道模型并采用相应的参数对信道特性进行刻画非常重要。目前，超大规模MIMO几何随机信道模型仅从空
‑
时
‑
频域分析信道特性，没有从波束域分析信道特性，波束域信道模型主要考虑了空域非平稳特性，对球面波特性的建模还存在不足。为此，提出考虑球面波特性及空域非平稳特性的超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法,以解决目前超大规模MIMO几何随机信道模型仅从空
‑
时
‑
频域分析信道特性，没有从波束域分析信道特性，波束域信道模型主要考虑了空域非平稳特性，对球面波特性的建模还存在不足的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0006]一种超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，方法包括：
[0007]步骤S1、设置仿真参数、网络布局及场景；
[0008]步骤S2、设置发送端运动速度、加速度的大小和方向，确定运动轨迹；根据发送端和接收端的初始位置，采用正弦波叠加法产生具有空间一致性的大尺度参数；
[0009]步骤S3、根据步骤S2中的产生具有空间一致性的大尺度参数，计算簇的时延、功率、角度参数，产生服从指数分布的随机簇位置参数；
[0010]步骤S4、应用椭球高斯散射体分布，产生初始簇内散射体相对于发送端和接收端的角度和距离；
[0011]步骤S401、产生服从高斯分布的簇内方位角扩展、俯仰角扩展及簇到收发两端的时延扩展参数；
[0012]步骤S402、应用椭球高斯散射体分布计算出簇内散射体的方位角、俯仰角、及散射体到收发两端的距离；
[0013]步骤S5、根据发送端的运动速度、加速度的大小和方向，计算出时变的发送端位
置，根据发送端位置及接收端位置，采用正弦波叠加法产生具有空间一致性的大尺度参数；
[0014]步骤S6、应用簇沿阵列轴的生灭过程更新小尺度参数；
[0015]步骤S7、根据公式，得到几何随机信道模型信道系数；
[0016]步骤S8、采用高阶泰勒展开产生导向矩阵；
[0017]步骤S9、计算波束域信道矩阵；
[0018]步骤S10、分析信道特性并与测量数据对比，验证模型准确性。
[0019]进一步的，步骤S1包括：
[0020]步骤S101、仿真参数包括工作频率、带宽、收发两端的天线数目及天线阵列排布方式等；
[0021]步骤S102、网络布局包括设置发送端和接收端的实际位置，设置发送端天线阵列的摆放角度及接收端天线阵列的摆放角度等；
[0022]步骤S103、仿真场景包括城市场景、乡村场景、室内场景。
[0023]进一步的，步骤S2中大尺度参数包括时延扩展(Delay spread，DS)、角度扩展(Angular spread，AS)、莱斯因子(K
‑
factor，KF)和交叉极化比(Cross polarization ratio，XPR)，对于视距环境，大尺度参数要考虑莱斯因子KF，对于非视距环境，大尺度参数不需要考虑莱斯因子KF。
[0024]进一步的，步骤S3包括以下步骤：
[0025]步骤S301、簇时延表示为：
[0026]τ
n
＝r
τ
DSln(X
n
)
[0027]其中，r
τ
是时延分布比例因子，X
n
服从0至1之间的均匀分布，其中n为簇的序号；
[0028]步骤S302、簇功率表示为：
[0029][0030]其中，Z
n
为每个簇的阴影衰落，服从均值为0，方差为ζ2的正态分布Z
n
～N(0,ζ2)；
[0031]步骤S303、产生初始化簇角度参数，包括方位离开角(Azimuth angle ofdeparture，AAoD)、方位到达角(Azimuth angle ofarrival，AAoA)、俯仰离开角(Elevation angle of departure，EAoD)和俯仰到达角(Elevation angle ofarrival，EAoA)；
[0032]步骤S304、产生初始化指数分布的簇位置参数。
[0033]进一步的，步骤S4包括以下步骤：
[0034]步骤S401、簇中心位于坐标原点，簇内的散射体位置(x',y',z')的分布建模为：
[0035][0036]其中，σ
DS
表示服从高斯分布的簇时延扩展的标准差，σ
AS
表示服从高斯分布的簇方位角扩展的标准差，σ
ES
表示服从高斯分布的簇俯仰角扩展的标准差；
[0037]步骤S402、为了表示散射体的位置并且体现空间角度关系，簇中心位于球坐标的簇内散射体位置(x,y,z)与簇中心位于坐标原点的散射体位置关系为：
[0038][0039]其中，表示从发送端或接收端到簇的中心的距离，表示簇内散射体的俯仰角平均值，表示簇内散射体的方位角平均值；
[0040]步骤S403、根据关系式x＝dcos(φ
E
)cos(φ
A
)，y＝dcos(φ
E
)sin(φ
A
)，z＝dsin(φ
E
)得到簇内散射体相对于发送端或接收端的角度和距离；d表示从发送端或接收端到簇内散射体的距离，φ
E
表示簇内散射体的俯仰角，φ
A
表示簇内散射体的方位角。
[0041]进一步的，步骤S6包括：
[0042]步骤S601、对发送端和接收端，从第p个天线单元和第q个天线单元到第p+1个天线单元和q+1个天线单元的簇的演进过程表示为：
[0043][0044]和
[0045][0046]其中，定义本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1、设置仿真参数、网络布局及场景；步骤S2、设置发送端运动速度、加速度的大小和方向，确定运动轨迹；根据发送端和接收端的初始位置，采用正弦波叠加法产生具有空间一致性的大尺度参数；步骤S3、根据步骤S2中的产生具有空间一致性的大尺度参数，计算簇的时延、功率、角度参数，产生服从指数分布的随机簇位置参数；步骤S4、应用椭球高斯散射体分布，产生初始簇内散射体相对于发送端和接收端的角度和距离；步骤S401、产生服从高斯分布的簇内方位角扩展、俯仰角扩展及簇到收发两端的时延扩展参数；步骤S402、应用椭球高斯散射体分布计算出簇内散射体的方位角、俯仰角、及散射体到收发两端的距离；步骤S5、根据发送端的运动速度、加速度的大小和方向，计算出时变的发送端位置，根据发送端位置及接收端位置，采用正弦波叠加法产生具有空间一致性的大尺度参数；步骤S6、应用簇沿阵列轴的生灭过程更新小尺度参数；步骤S7、根据公式，得到几何随机信道模型信道系数；步骤S8、采用高阶泰勒展开产生导向矩阵；步骤S9、计算波束域信道矩阵；步骤S10、分析信道特性并与测量数据对比，验证模型准确性。2.根据权利要求1所述的超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S101、仿真参数包括工作频率、带宽、收发两端的天线数目及天线阵列排布方式；步骤S102、网络布局包括设置发送端和接收端的实际位置，设置发送端天线阵列的摆放角度及接收端天线阵列的摆放角度；步骤S103、仿真场景包括城市场景、乡村场景、室内场景。3.根据权利要求2所述的超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，其特征在于，所述步骤S2中大尺度参数包括时延扩展DS、角度扩展AS、莱斯因子KF和交叉极化比XPR，对于视距环境，大尺度参数要考虑莱斯因子KF，对于非视距环境，大尺度参数不需要考虑莱斯因子KF。4.根据权利要求3所述的超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：步骤S301、簇时延表示为：τ
n
＝r
τ
DSln(X
n
)其中，r
τ
是时延分布比例因子，X
n
服从0至1之间的均匀分布，其中n为簇的序号；步骤S302、簇功率表示为：其中，Z
n
为每个簇的阴影衰落，服从均值为0，方差为ζ2的正态分布Z
n
～N(0,ζ2)；
步骤S303、产生初始化簇角度参数，包括方位离开角AAoD、方位到达角AAoA、俯仰离开角EAoD和俯仰到达角EAoA；步骤S304、产生初始化指数分布的簇位置参数。5.根据权利要求4所述的超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：步骤S401、簇中心位于坐标原点，簇内的散射体位置(x',y',z')的分布建模为：其中，σ
DS
表示服从高斯分布的簇时延扩展的标准差，σ
AS
表示服从高斯分布的簇方位角扩展的标准差，σ
ES
表示服从高斯分布的簇俯仰角扩展的标准差；步骤S402、为了表示散射体的位置并且体现空间角度关系，簇中心位于球坐标的簇内散射体位置(x,y,z)与簇中心位于坐标原点的散射体位置关系为：其中，表示从发送端或接收端到簇的中心的距离，表示簇内散射体的俯仰角平均值，表示簇内散射体的方位角平均值；步骤S403、根据关系式x＝d cos(φ
E
)cos(φ
A
)，y＝dcos(φ
E
)sin(φ
A
)，z＝dsin(φ
E
)得到簇内散射体相对于发送端或接收端的角度和距离；d表示从发送端或接收端到簇内散射体的距离，φ
E
表示簇内散射体的俯仰角，φ
A
表示簇内散射体的方位角。6.根据权利要求5所述的超大规模MIMO几何随机及波束域无线信道建模方法，其特征在于，所述步骤S6包括：步骤S601、对发送端和接收端，从第p个天线单元和第q个天线单元到第p+1个天线单元和q+1个天线单元的簇的演进过程表示为：和其中，定义了簇沿阵列轴的演进过程，表示发送端第p个天线单元看到的簇，表示第p+1个天线单元看到的簇，表示接收端第q个天线单元看到的簇，表示第q+1个天线单元看到的簇，M
T
表示发送端总的天线数目，M
R
表示接收端总的天线数目；步骤S602、定义λ
G
为簇的出生率，λ
R
为簇的结合率，得到发送端和接收端簇沿阵列轴的生存概率为：和
其中，表示发送天线单元在阵列轴上的位置差，表示接收天线单元在阵列轴上的位置差；表示在阵列域依赖于场景的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王承祥，郑一，黄杰，冯瑞，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：