本发明提出一种基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，以建立LTE MIMO通信系统的传播信道模型，供优化研究使用，在LTE MIMO通信系统中，基站发射端的发射天线和移动接收端的接收天线均采用双极化天线阵列，所述双极化天线由多个双极化天线单元构成，所述双极化天线单元由第一线天线和第二线天线构成，所述建模方法包括如下步骤：将基站发射端发射的信号通过LTE MIMO通信传播信道传送到移动接收端，所述LTE MIMO通信传播信道为双极化天线传播信道；获得发射天线和接收天线中双极化天线单元的复响应；获得LTE MIMO通信传播信道的复响应；通过发射天线和接收天线的复响应以及LTE MIMO通信传播信道的复响应获得LTE MIMO通信系统的信道矩阵并导出。
1.基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，其特征在于：在LTE MIMO通信系统中，基站发射端的发射天线和移动接收端的接收天线均采用双极化天线阵列，所述双极化天线由多个双极化天线单元构成，所述双极化天线单元由第一线天线和第二线天线构成，所述建模方法包括如下步骤：将基站发射端发射的信号通过LTE MIMO通信传播信道传送到移动接收端，所述LTE MIMO通信传播信道为双极化天线传播信道；
通过发射天线和接收天线的复响应以及LTE MIMO通信传播信道的复响应获得LTE MIMO通信系统的信道矩阵并导出。
2.根据权利要求1所述的基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，其特征在于：所述发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应通过如下方法获得：测得第一线天线的倾斜角α；
通过下式算得发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应：
3.根据权利要求1所述的基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，其特征在于：所述发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应通过如下方法获得：测得第一线天线的倾斜角α；
测得第一线天线的自阻抗Z11、第二线天线的自阻抗Z22、第一线天线与第二线天线之间的互阻抗Z12、第二线天线与第一线天线之间的互阻抗Z21、发射天线或接收天线的负载阻抗ZL；
通过下式计算第一天线与第二天线的互耦矩阵：通过下式算得发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应：
4.根据权利要求1所述的基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，其特征在于：通过如下方法获得LTE MIMO通信传播信道的复响应：测得第nth传播路径中垂直-垂直(v-v)共极化场分量的平均功率pv-v；
测得第nth传播路径中垂直-水平(v-h)交叉极化场分量的平均功率pv-h；
测得第nth传播路径中水平-水平(h-h)共极化场分量的平均功率ph-h；
测得第nth传播路径中水平-垂直(h-v)交叉极化场分量的平均功率ph-v；
通过下式算得LTE MIMO通信传播信道的复响应：式中，
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，其特征在于：所述LTE MIMO通信系统的信道矩阵通过如下方法获得：计算第nth传播路径复响应函数Hu，s，n(t)：式中： 为第sth元发射天线双极化天线单元的复响应；
对于一个S×U的LTE MIMO通信系统，计算其第nth传播路径的信道矩阵Hn(t)：
6.根据权利要求5所述的基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，其特征在于：第nth传播路径中每条子路径的功率Pn，m通过下式算得：其中：Pn为第nth传播路径的功率；σSF为对数正态分布阴影衰落；M为第nth传播路径中子路径数目；
所述发射天线各双极化天线单元间的相位差φs 通过下式算得：其中，ds：为发射天线第sth个双极化天线单元到第1th个双极化天线单元的距离，其中d1＝0；
接收天线各双极化天线单元间的相位差φnMS通过下式算得：其中，du：移动端(MS)接收天线第uth个天线单元到第1th个天线单元的距离，其中d1＝0。
多普勒频移造成的相位差φDoppler通过下式算得：φDoppler＝k||v||cos(θn，m，AoA-θv)t其中：||v||为移动端(MS)速率 的幅度值；θv为移动端(MS)速率 的方位角。
7.根据权利要求1所述的基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，其特征在于：还包括导出LTE MIMO通信传播信道极化失配功率的步骤，其中第nth传播路径平均极化失配功率Lp为：式中，Lpn为第nth传播路径极化功率失配因子，计算方法如下：
基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法
技术领域
[0001] 本发明涉及移动通信技术领域，具体是一种基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法。
背景技术
[0002] LTE MIMO通信系统是在通信系统发射和接收两端同时使多个天线，充分利用无线多径信道的空间自由度提高系统容量与传输速率，以增加系统的复杂程度为代价换取更高的频谱利用率，是在丰富的多径环境中满足不断增长的容量需求的强有力的解决方案。
[0003] 有效利用无线多径信道的空间自由度，发掘传播信道的资源是LTEMIMO通信系统物理设计的核心问题。天线是LTE MIMO通信系统直接面对传播信道的部分，也是系统对空间自由度最敏感的部分。传统的MIMO通信系统中，基站端往往利用间距很大的多天线阵列实现空间分集，其中天线单元结构为单线天线结构。随着LTE MIMO技术的不断发展，天线之间的间距也不断减小，天线单元之间的耦合问题则变得越来越严重，制约了系统性能的提高。不同于空间LTE MIMO天线，多极化天线利用位于同一位置的多个天线单元，充分利用电磁波的多个场分量的信息，极大幅度地提高有限空间内的自由度，获得与空间LTE MIMO天线类似的增益。
[0004] 目前，对于如何在不增加LTE MIMO通信系统空间复杂度的情况下，提高LTE MIMO通信系统的系统容量与传输速率的解决方案，主要集中在有效编码和优化天线单元间的拓扑结构等方面。这些优化需要对LTE MIMO通信传播信道模型进行研究而做出，而目前还没有基于双极化天线的LTEMIMO通信传播信道建模方法。
发明内容
[0005] 有鉴于此，为了解决上述问题，为此，本发明提出一种基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，以建立以LTE MIMO通信系统的信道矩阵与极化失配功率为主的模型，供优化研究使用。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法，在LTE MIMO通信系统中，基站发射端的发射天线和移动接收端的接收天线均采用双极化天线阵列，所述双极化天线由多个双极化天线单元构成，所述双极化天线单元由第一线天线和第二线天线构成，所述建模方法包括如下步骤：
[0007] 将基站发射端发射的信号通过LTE MIMO通信传播信道传送到移动接收端，所述LTE MIMO通信传播信道为双极化天线传播信道；
[0008] 获得发射天线和接收天线中双极化天线单元的复响应；
[0009] 获得LTE MIMO通信传播信道的复响应；
[0010] 通过发射天线和接收天线的复响应以及LTE MIMO通信传播信道的复响应获得LTE MIMO通信系统的信道矩阵并导出。
[0011] 进一步，所述发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应通过如下方法获得：
[0012] 测得第一线天线的倾斜角α；
[0013] 测得发射天线的去波角θ或接收天线的来波角θ；
[0014] 测得发射天线或接收天线的天线增益G(θ)；
[0015] 通过下式算得发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应：
[0016]
[0017] 进一步，所述发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应通过如下方法获得：
[0018] 测得第一线天线的倾斜角α；
[0019] 测得发射天线的去波角θ或接收天线的来波角θ；
[0020] 测得发射天线或接收天线增益G(θ)；
[0021] 测得第一线天线的自阻抗Z11、第二线天线的自阻抗Z22、第一线天线与第二线天线之间的互阻抗Z12、第二线天线与第一线天线之间的互阻抗Z21、发射天线或接收天线的负载阻抗ZL；
[0022] 通过下式计算第一天线与第二天线的互耦矩阵：
[0023]
[0024] 通过下式算得发射天线或接收天线中双极化天线单元的复响应：
[0025]
[0026] 进一步，通过如下方法获得LTE MIMO通信传播信道的复响应：
[0027] 测得第nth传播路径中垂直-垂直(v-v)共极化场分量的平均功率pv-v；
[0028] 测得第nth传播路径中垂直-水平(v-h)交叉极化场分量的平均功率pv-h；
[0029] 测得第nth传播路径中水平-水平(h-h)共极化场分量的平均功率ph-h；
[0030] 测得第nth传播路径中水平-垂直(h-v)交叉极化场分量的平均功率ph-v；
[0031] 通过下式算得LTE MIMO通信传播信道的复响应：
[0032]
[0033] 式中，
[0034]
[0035] 进一步，所述LTE MIMO通信系统的信道矩阵通过如下方法获得：
[0036] 计算第nth传播路径复响应函数Hu，s，n(t)：
[0037]
[0038] 式中： 为第sth元发射天线双极化天线单元的复响应；
[0039] 为第sth元接收天线双极化天线单元的复响应；
[0040] 为LTE MIMO通信传播信道的复响应；
[0041] φsBS为发射天线各双极化天线单元间的相位差；
[0042] φuMS为接收天线各双极化天线单元间的相位差；
[0043] φDoppler为多普勒频移造成的相位差；
[0044] Pn，m为第nth传播路径中每条子路径的功率；
[0045] 对于一个S×U的LTE MIMO通信系统，计算其第nth传播路径的信道矩阵Hn(t)：
[0046]
[0047] 进一步，第nth传播路径中每条子路径的功率Pn，m通过下式算得：
[0048]
[0049] 其中：Pn为第nth传播路径的功率；σSF为对数正态分布阴影衰落；M为第nth传播路径中子路径数目；
[0050] 所述发射天线各双极化天线单元间的相位差φsBS通过下式算得：
[0051]
[0052] 其中，ds：为发射天线第sth个双极化天线单元到第1th个双极化天线单元的距离，其中d1＝0；
[0053] 接收天线各双极化天线单元间的相位差φuMS通过下式算得：
[0054]
[0055] 其中，du：移动端接收天线第uth个天线单元到第1th个天线单元的距离，其中d1＝0。
[0056] 多普勒频移造成的相位差φDoppler通过下式算得：
[0057] φDoppler＝k||v||cos(θn，m，AoA-θv)t
[0058] 其中：||v||为移动端速率 的幅度值；θv为移动端(MS)速率 的方位角；
[0059] 进一步，还包括导出LTE MIMO通信传播信道极化失配功率的步骤，其中第nth传播路径平均极化失配功率Lp为：
[0060]
[0061] 式中，Lpn为第nth传播路径极化功率失配因子，计算方法如下：
[0062]
[0063] 本发明相对于现有技术，具有如下优点：全面考虑了信号出发角、到达角、安装误差及天线损耗变形造成的互耦影响、移动端运动造成的多普勒频移、天线单元的初始相位差等因素，能准确反映各因素对基于双极化天线的LTEMIMO通信传播信道的性能影响，利于对基于双极化天线的LTE MIMO通信系统的优化研究。
[0064] 本发明的其它优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0065] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
[0066] 图1示出了双极化天线单元的结构示意图；
[0067] 图2示出了基于双极化天线的LTE MIMO通信信道模型图；
[0068] 图3发射端和接收端双极化天线模型图。
具体实施方式
[0069] 以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0070] 对于一个S×U的LTE MIMO通信系统，发射天线为由S个双极化天线单元构成的天线阵列，接收天线为由U个双极化天线单元构成的天线阵列，如图2所示，所述双极化天线单元由第一线天线1和第二线天线2构成，如图1所示；则第nth传播路径的信道矩阵Hn(t)为U×S的矩阵。
[0071] 基于双极化天线的LTE MIMO通信传播信道建模方法包括如下步骤：
[0072] 1)将基站发射端发射的信号通过LTE MIMO通信传播信道传送到移动接收端，所述LTE MIMO通信传播信道为双极化天线传播信道；
[0073] 2)获得发射天线和接收天线中双极化天线单元的复响应，具体包括如下步骤：
[0074] 21)测得发射天线的倾斜角αBS、发射天线的双极化天线单元间的耦合矩阵CBS及第nth传播路径的第mth传播子路径的出发角θn，m，AoD，求解第sth元发射天线双极化天线单元的复响应：
[0075]
[0076] 22)根据接收天线的倾斜角αMS、接收天线的双极化天线单元间的耦合矩阵CMS及第nth传播路径的第mth传播子路径的到波角θn，m，AoA，求解第uth元接收双极化天线单元的复响应：
[0077]
[0078] 考虑到安装误差及使用时间久了后天线结构变形，共点安装的双极化天线两线天线间存在互耦影响，所以本实施例中的双极化天线单元的复响应的计算中加入一耦合矩阵，所述双极化天线单元间的通过如下方法获得：测得第一线天线的自阻抗Z11、第二线天线的自阻抗Z22、第一线天线与第二线天线之间的互阻抗Z12、第二线天线与第一线天线之间的互阻抗Z21、发射天线或接收天线的负载阻抗ZL；
[0079] 通过下式计算互耦矩阵：
[0080]
[0081] 3)考虑到接收天线和发射天线采用双极化天线阵列，存在水平极化和垂直极化信号，这两种极化信号具有不同的传播特性，因此采用如下方法获得LTEMIMO通信传播信道的复响应：
[0082] 测得第nth传播路径中垂直-垂直(v-v)共极化场分量的平均功率pv-v；
[0083] 测得第nth传播路径中垂直-水平(v-h)交叉极化场分量的平均功率pv-h；
[0084] 测得第nth传播路径中水平-水平(h-h)共极化场分量的平均功率ph-h；
[0085] 测得第nth传播路径中水平-垂直(h-v)交叉极化场分量的平均功率ph-v；
[0086] 通过下式算得LTE MIMO通信传播信道的复响应：
[0087]
[0088] 式中，(x，y)
[0089] Φn，m 表示第nth传播路径中第mth传播子路径在基站端元天线的x分量(水平分量或垂直分量)与移动终端元天线的y分量(水平分量或垂直分量)间的相位偏移量。j为虚数单位。
[0090] XPDv为第nth传播路径中垂直-垂直(v-v)共极化场分量的平均功率pv-v与垂直-水平(v-h)交叉极化场分量的平均功率pv-h之比，即：
[0091] XPDh为第nth传播路径中水平-水平(h-h)共极化场分量的平均功率ph-h与水平-垂直(h-v)交叉极化场分量的平均功率ph-v之比，即：
[0092] 4)通过发射天线和接收天线的复响应以及LTE MIMO通信传播信道的复响应获得LTE MIMO通信系统的信道矩阵并导出；具体地：
[0093] 41)考虑到当移动端以速率 运动时，信号在传播过程中存在多普勒频移，计算多普勒频移造成的相位差如下：
[0094] φDoppler＝k||v||cos(θn，m，AoA-θv)t；
[0095] 其中：||v||为移动端(MS)速率 的幅度值；θv为移动端(MS)速率 的方位角；k为相位常数。
[0096] 42)考虑到基站端(BS)发射天线采用的是直线阵，故各双极化天线单元间存在初始相位差，计算如下：
[0097]
[0098] 其中，ds：为发射天线第sth个双极化天线单元到第1th个双极化天线单元的距离，其中d1＝0；k为相位常数。
[0099] 42)考虑到移动端(MS)接收天线采用的是直线阵，故各双极化天线单元间存在初始相位差，计算如下：
[0100]
[0101] 其中，du：移动端(MS)接收天线第uth个天线单元到第1th个天线单元的距离，其中d1＝0；k为相位常数。
[0102] 43)第nth传播路径中每条子路径的功率Pn，m通过下式算得：
[0103]
[0104] 其中：Pn为第nth传播路径的功率；σSF为对数正态分布阴影衰落；M为第nth传播路径中子路径数目；
[0105] 44)综合以上各项，第sth元发射天线单元与第uth元接收天线单元的第nth传播路径的复响应函数为：
[0106]
[0107] 45)S×U的LTE MIMO通信系统中，第nth传播路径的信道矩阵Hn(t)为：
[0108]
[0109] 5)还导出LTE MIMO通信传播信道极化失配功率，其中第nth传播路径平均极化失配功率Lp为：
[0110]
[0111] 式中，Lpn为第nth传播路径极化功率失配因子，计算方法如下：
[0112]
[0113] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
