【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，属于无线通信。
技术介绍
1、随着6g移动通信系统中移动通信用户数量的不断增加以及通信服务质量的不断提高，传统地面通信已经面临频谱资源短缺、信号覆盖范围小以及网络容量限制等挑战。非地面网络(ntn)通信的出现，为解决这些挑战提供了新的思路和解决方案。高空平台(hap)通信作为ntn通信的关键组成部分，凭借其覆盖范围广、高速数据传输、灵活部署等优点，使得偏远地区也能享受到高速、可靠的通信服务，而信道建模与仿真技术是hap通信系统设计、部署与优化的根本基础。
2、在已有的hap空对地信道模拟技术中，收发阵列的天线均采用互易结构，即对于通信的任一方来说，用于发射或接收的天线资源和通道数量是相等的，与之对应的波束宽度、方向图和增益等也是相同的，这种对称结构的天线设计虽然简单，但是在实际应用中出现了较为昂贵的硬件成本、较高的计算复杂度以及较大的能量消耗等问题。现有技术的这些缺点对于大规模mimo天线阵列与高频段hap通信系统的研发与应用造成了较大的挑战，限制了hap高频通信的大范围部署应用。
3、此外，在现有的hap空对地信道模拟技术中，主要集中于处理信道多径小尺度衰落的建模与仿真，而忽视了对于信道链路预算、基站范围部署与优化十分关键的大尺度信道衰落特性。尤其在毫米波的高频段通信中，信号功率会发生扩散而产生自由空间损耗，并且在信号传输过程中会穿过大气层，气体中的氧分子、水蒸气等也会产生分子吸收损耗，而且毫米波信号会对降雨等天气状况较为敏感，降雨也会对信道大尺度衰
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足即针对现有技术在阵列配置和传输衰减上的缺点，提出一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，在hap与地面基站(bs)侧为发射和接收天线阵列分配了不同的波束宽度。一方面，在发射侧采用高针对性的窄波束设计，这种设计带来了较大的增益，保证了通信的可靠性，提升了通信的峰值速率；另一方面，在接收侧采用宽波束设计，在确保接收能力的同时，宽波束设计减少了接收侧的波束跟踪的资源消耗，降低了波束管理的复杂度。非互易的天线结构为hap信道带来了更高的信道增益与更大的系统容量。与此同时，在采用非互易波束的hap通信系统中，由于天线波束相当于对信道响应施加了一个空域滤波效果，对信道特性产生重要影响的散射体的布局会因此而发生改变，因此导致波束约束下的信道特性与已有技术中的信道配置是不同的。此外，由于hap-bs的上行链路与bs-hap的下行链路采用了相异的波束宽度配置，导致上下行链路信道是不同的，这在已有hap通信信道模拟技术中是未被研究的。但是，上下行信道之间实际并非完全独立，两个方向的信道之间由于在同一个物理环境中，具备部分公用散射体，因此上下行信道之间具有一定的相关性，这对于非互易hap信道模拟具有重要意义。在本专利技术中，提出了一种非互易高频波束的hap信道模拟方法。针对非互易波束通信配置下的hap对地信道，提出了一套完整的信道模拟方法，包括圆柱面形状的散射体集生成、定向有效散射体筛选、信道冲激响应生成等步骤，仿真并分析了上下行信道的时延功率谱等谱密度函数以及与波束宽度耦合的上下行信道的相关性函数，解决了现有技术中的互易天线配置下的诸多问题，可以在保证高速传输速率的同时降低成本。此外，本专利技术模拟了hap空地信道的包括自由空间衰减、气体分子吸收损耗和降雨衰减在内的毫米波信道大尺度衰减特性，弥补了现有技术的缺点。
2、本专利技术的技术解决方案是：
3、一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，该方法的步骤包括：
4、步骤一、构建非互易波束hap空地大规模mimo通信系统模型；
5、步骤二、根据步骤一构建的大规模mimo通信系统模型生成圆柱面散射体集并筛选定向有效散射体；
6、步骤三、计算步骤二得到的每个定向有效散射体与收发机的毫米波衰减，并根据得到的毫米波衰减生成双向信道冲激响应。
7、所述步骤一中，建立大规模mimo通信系统模型是指构建hap、bs以及散射体之间的传播关系，具体方法为：
8、建立空间直角坐标系，空间直角坐标系原点为o，bs和hap二维投影的连线的射线方向为x轴正方向，y轴的正方向为x轴正方向顺时针旋转90度后的方向，z轴的正方向垂直于xoy平面且朝向上方。
9、其中，hap侧天线原点为or，位于坐标系原点o的正上方，bs侧天线原点为ot；
10、以bs为底面圆的圆心构建圆柱体，圆柱体的底面半径为r，圆柱体高度为h；
11、散射体sn(n＝1,2,…,n)分布在以bs为底面圆的圆心的圆柱体侧面上；hap侧天线和bs侧天线均采用均匀平面阵upa；hap侧天线为nr个接收天线，bs侧天线为nt个发射天线；δ代表发射天线和接收天线中相邻天线之间的间距；
12、hap的高度为hr，地面bs的高度为ht；
13、hap和bs在x-y平面的投影距离为d；
14、hap侧天线方向为θr；
15、bs侧天线方向为θt；
16、bs朝向hap的俯仰角为βt，可以近似计算为arctan(ht/d)；
17、hap的运动速度为va；
18、把处于波束范围内的散射体界定为定向有效散射体，第i(i＝1,2,...,nt)个有效散射体记为si，si对应的水平波离角aaod和垂直波离角eaod分别表示为αi(t)和βi(t)；
19、hap和原点o之间的三维距离向量表示为
20、bs与原点o之间的三维距离向量表示为
21、第i个有效散射体si与bs之间的位置向量表示为：
22、
23、收发天线原点的视距los径的位置向量表示为：
24、
25、从bs侧有效散射体到hap侧的单跳向量表示为
26、建立局部坐标系，具体方法为：
27、在hap侧建立局部坐标系，使用upa结构的天线阵列，将天线平面位于yoz平面，将天线阵列中第(1,1)个阵元置于局部坐标系原点，天线阵列的两条边分别与y轴和z轴平行并沿正向连续分布；天线总数为nr＝my×mz，其中my为y方向上的天线阵元数，mz为z方向上的天线阵元数，水平和竖直两个方向上两个相邻阵元之间都以均匀间隔δ排列，且δ＝λ/2，其中λ为波长。my为y方向上的第y个天线阵元(my＝1,2,…,my)，mz为z方向上的第z个天线阵元(mz＝1,2,…,mz)，第(my,mz)个天线阵元相对于or的位置关系表示为同样在bs侧，第n个天线阵元(n＝1,2,…,nt)相对于ot的位置关系表示为
28、在bs侧的第n个天线阵元到第i个有效散射体si的位置向量表示为：
29、
30、hap侧的第m根天线与bs侧的第n根天线之间的los径向量表示为：
31、
32、所述步骤二本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于该方法的步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
3.根据权利要求1或2所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
7.根据权利要求5所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
8.根据权利要求5所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
9.根据权利要求5所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
10.根据权利要求5所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于该方法的步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
3.根据权利要求1或2所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种非互易高频波束下的高空信道模拟方法，其特征在于：
...【专利技术属性】
技术研发人员：张焱，张恺恩，顾霖昊，王崧乔，张万成，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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