一种三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法

摘要

本发明提出一种三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法，供通信系统优化研究和系统性能评估使用。在三维双移动MIMO传播系统中，所述建模及仿真实现方法包括如下步骤：对三维双移动MIMO传播信道进行理论建模，获得其理论数学模型；将数学理论模型转换为便于仿真实现的累加模型；利用用户指定或实测的方位角/俯仰角联合分布特性分别计算获得三维离散到达角/离开角的取值；利用收、发端移动速度大小、方向及三维离开角/到达角计算收、发端的多普勒频移；利用收、发端天线阵列流型，获得其导引矢量矩阵；将三维离散到达角/离开角、收/发端多普勒频移、收/发端导引矢量矩阵代入三维双移动MIMO传播信道的累加形式表达式，计算获得三维双移动MIMO传播信道。

权利要求

1.一种三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法，其特征在于：包括如下步骤第一步：考虑发射和接收信号三维传播的情况，建立双移动MIMO信道模型为如下形式其中，ar(αr,βr)、at(αt,βt)分别为收、发端天线阵列的导引矢量；αr/αt为收/发端方位角，βr/βt为收/发端俯仰角；p(αt,βt)为发射信号离开角的联合概率密度函数，p(αr,βr)为接收信号到达角的联合概率密度函数；为支路附加相移，服从[0,2π]的均匀分布；fr、ft分别表示收发端移动导致的多普勒频移分量；j为虚部单位；

第二步：为了快速实现三维双移动MIMO传播信道的仿真，将第一步中的理论模型改写为如下仿真模型形式其中， 为发射端天线阵列的导引矢量， 为接收端天线阵列的导引矢量； 为收/发端方位角， 为收/发端俯仰角； 为收发端各支路的多普勒频移；N2、N1为接收端、发射端的散射支路数目； 为支路附加相移，服从[0,2π]的均匀分布；j为虚部单位；

第三步：根据用户预先指定或实测的方位角/俯仰角联合分布，动态计算并产生N2、N1组到达角和离开角的方位角/俯仰角值

1)假设到达角或离开角的归一化二维联合分布函数为 其中离开角情况令n＝n1，到达角情况令n＝n2，利用等体积法将该函数曲线围成的体积等分为N份，其中离开角情况令N＝N1-1，到达角情况令N＝N2-1，即同时，令对 的空间采样步长相等，即

2)以 为中心点，在左半区间 取N/4个αt/r值，并在右半区间对称取N/4个αt/r值；以 为中心点，在左半区间 取N/4个βt/r值，并在右半区间 对称取N/4个βt/r值；

3)结合步骤1)和2)可获得(N+1)组方位角 和俯仰角第四步：利用离开角/到达角取值以及收/发端移动速度矢量计算N1N2支路的多普勒频移；

第五步：利用收/发端天线阵列的三维布局策略，获得收/发端天线阵列的导引矢量进而获得第六步：将上述步骤中计算获得的多普勒频移 天线阵列导引矢量代入三维双移动MIMO传播信道的仿真模型中，最后实时输出MIMO信道衰落。

2.如权利要求1所述的三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法，其特征在于：第四步中具体包括如下方法：令 为收发支路的多普勒频移，vt、 vr、 分别为发射端以及接收端的速度大小、方向，fc为通信载频， 分别为到达角、离开角，各支路的多普勒频移包含发射端频移和接收端频移两部分因素，且可利用下式进行计算

说明书

一种三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及无线信道的建模及仿真方法，属于无线通信领域，具体是一种综合考虑收发端双移动、方位角/俯仰角联合分布、多普勒频移、天线阵列等因素的三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法。背景技术：

[0002] 多输入多输出技术(Multiple Input Multiple Output，MIMO)是当前无线移动通信领域的关键技术，它能够充分利用空间位置的多天线，不增加带宽或发送功率的前提下，有效对抗无线信道衰落，从而大幅度提高系统的频谱利用率和容量，实现高速数据传输。

[0003] 建立准确而有效的MIMO信道模型是实现MIMO移动通信系统及确立传输策略的理论基础，而现有成熟的信道模型及仿真方法大多局限于二维入射形式。在实际传播环境中，由于不同高度的散射体随机分布和收发端天线自身的高度，导致电磁波经过反射、绕射和折射等方式后从不同三维方向入射到接收天线，即除了水平维的方位角外，还有垂直维的俯仰角。同时，越来越多的通信系统中的收发双方均存在移动情况，因此，研究三维双移动MIMO传播信道的模型具有重要理论意义。另一方面，为了评估MIMO通信系统在实际MIMO通信环境下的性能，也需要实时产生MIMO信道，故该信道的仿真实现具有重要工程应用价值。发明内容：

[0004] 为了准确分析及研究三维双移动MIMO传播信道的模型及特性，本发明提出一种综合考虑收发端双移动、方位角/俯仰角联合分布、多普勒频移、天线阵列等因素的三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法。

[0005] 本发明采用如下技术方案：一种三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法，包括如下步骤：

[0006] 第一步：考虑发射和接收信号三维传播的情况，建立双移动MIMO信道模型为如下形式

[0007]

[0008] 其中，ar(αr,βr)、at(αt,βt)分别为收、发端天线阵列的导引矢量；αr/αt为收/发端方位角，βr/βt为收/发端俯仰角；p(αt,βt)为发射信号离开角的联合概率密度函数，p(αr,βr)为接收信号到达角的联合概率密度函数；为支路附加相移，服从[0,2π]的均匀分布；fr、ft分别表示收发端移动导致的多普勒频移分量；j为虚部单位；

[0009] 第二步：为了快速实现三维双移动MIMO传播信道的仿真，将第一步中的理论模型改写为如下仿真模型形式

[0010]

[0011] 其中， 为发射端天线阵列的导引矢量， 为接收端天线阵列的导引矢量； 为收/发端方位角， 为收/发端俯仰角； 为收发端各支路
的多普勒频移；N2、N1为接收端、发射端的散射支路数目； 为支路附加相移，服从[0,2π]的均匀分布，j为虚部单位；

[0012] 第三步：根据用户预先指定或实测的方位角/俯仰角联合分布，动态计算并产生N2、N1组到达角和离开角的方位角/俯仰角值；

[0013] 第四步：利用离开角/到达角取值以及收/发端移动速度矢量计算N1N2支路的多普勒频移；

[0014] 第五步：利用收/发端天线阵列的三维布局策略，获得收/发端天线阵列的导引矢量 进而获得

[0015] 第六步：将上述步骤中计算获得的多普勒频移 天线阵列导引矢量代入三维双移动MIMO传播信道的仿真模型中，最后实时输出MIMO信
道衰落。

[0016] 进一步地，第三步中具体包括如下方法：

[0017] 1)假设到达角或离开角的归一化二维联合分布函数为 其中离开角情况令n＝n1，到达角情况令n＝n2，利用等体积法将该函数曲线围成的体积等分为N份，其中离开角情况令N＝N1-1，到达角情况令N＝N2-1，即

[0018]

[0019] 同时，令对 的空间采样步长相等，即

[0020]

[0021] 2)以 为中心点，在左半区间 取N/4个αt/r值，并在右半区间对称取N/4个αt/r值；以 为中心点，在左半区间 取N/4
个βt/r值，并在右半区间 对称取N/4个βt/r值；

[0022] 3)结合步骤1)和2)可获得(N+1)组方位角 和俯仰角

[0023] 进一步地，第四步中具体包括如下方法：

[0024] 令 为收发支路的多普勒频移，vt、 vr、 分别为发射端以及接收端的速度大小、方向，fc为通信载频， 分别为到达角、离开角，各支路的多普勒
频移包含发射端频移和接收端频移两部分因素，且可利用下式进行计算

[0025]

[0026] 本发明具有如下有益效果：

[0027] (1)、本发明提出的三维双移动MIMO传播信道模型，综合考虑了三维信号传播以及收发端二者都存在运动的情况；

[0028] (2)、本发明提出的三维双移动MIMO传播信道仿真方法，适用于方位角/俯仰角非独立情况，且二者的联合概率分布可服从任意分布；

[0029] (3)、本发明提出的三维双移动MIMO传播信道仿真方法，便于计算机仿真和FPGA硬件实现，同时输出信道具备时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落等特征。附图说明：

[0030] 图1为基于收发端双移动散射环境下的三维MIMO信道模型。

[0031] 图2为本发明所列举实施例中Von Mises Fisher二维联合概率理论分布。

[0032] 图3为采用本发明产生的方位角和俯仰角的二维统计分布。

[0033] 图4是本发明所列举实施例中产生的N1N2条支路的多普勒频移。

[0034] 图5是本发明所列举实施例中产生的MIMO信道衰落的包络统计分布。

[0035] 图6是本发明所列举实施例中产生的MIMO信道衰落的归一化自相关函数模值。具体实施方式：

[0036] 本发明三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法，包括如下步骤：

[0037] 第一步：考虑发射和接收信号三维传播的情况，建立双移动MIMO信道模型为如下形式

[0038]

[0039] 其中，ar(αr,βr)、at(αt,βt)分别为收、发端天线阵列的导引矢量；αr/αt为收/发端方位角(入射信号投影与x轴夹角)，βr/βt为收/发端俯仰角(入射信号与xoy平面夹角)；p(αt,βt)为发射信号离开角的联合概率密度函数，p(αr,βr)为接收信号到达角的联合概率密度函数；为支路附加相移，服从[0,2π]的均匀分布；fr、ft分别表示收发端移动导致的多普勒频移分量；j为虚部单位；

[0040] 第二步：为了快速实现三维双移动MIMO传播信道的仿真，将第一步中的理论模型改写为如下仿真模型形式

[0041]

[0042] 其中， 为发射端天线阵列的导引矢量， 为接收端天线阵列的导引矢量； 为收/发端方位角(入射信号投影与x轴夹角)， 为收/发端俯仰角
(入射信号与xoy平面夹角)； 为收发端各支路的多普勒频移；N2、N1为接收端、发射端的散射支路数目； 为支路附加相移，服从[0,2π]的均匀分布；j为虚部单位；

[0043] 第三步：根据用户预先指定或实测的方位角/俯仰角联合分布，动态计算并产生N2、N1组到达角和离开角的方位角/俯仰角值；

[0044] 第四步：利用离开角/到达角取值以及收/发端移动速度矢量计算N1N2支路的多普勒频移；

[0045] 第五步：利用收/发端天线阵列的三维布局策略，获得收/发端天线阵列的导引矢量 进而获得

[0046] 第六步：将上述步骤中计算获得的多普勒频移 天线阵列导引矢量代入三维双移动MIMO传播信道的仿真模型中，最后实时输出MIMO信
道衰落。

[0047] 其中，第三步中具体包括如下方法：

[0048] 1)假设到达角或离开角的归一化二维联合分布函数为 (离开角情况令n＝n1，到达角情况令n＝n2)，利用等体积法将该函数曲线围成的体积等分为N份(离开角情况令N＝N1-1，到达角情况令N＝N2-1)，即

[0049]

[0050] 同时，令对 的空间采样步长相等，即

[0051]

[0052] 2)以 为中心点，在左半区间 取N/4个αt/r值，并在右半区间对称取N/4个αt/r值；以 为中心点，在左半区间 取N/4
个βt/r值，并在右半区间 对称取N/4个βt/r值；

[0053] 3)结合步骤1)和2)可获得(N+1)组方位角 和俯仰角

[0054] 其中，第四步中具体包括如下方法：

[0055] 令 为收发支路的多普勒频移，vt、 vr、 分别为发射端以及接收端的速度大小、方向，fc为通信载频， 分别为到达角、离开角，各支路的多普勒
频移包含发射端频移和接收端频移两部分因素，且可利用下式进行计算

[0056]

[0057] 下面具体通过一个实施例来说明本发明三维双移动MIMO传播信道的建模及仿真方法，本实施例采用表1所示的仿真场景参数，MIMO信道的产生步骤如下所示：

[0058] 表1：仿真场景参数设置

[0059]

[0060]

[0061] 1、计算产生N+1＝41组服从Von Mises Fisher二维分布的离开角/到达角取值，根据定义及角度参数，可得

[0062]

[0063] 将上述分布函数代入具体实施方式部分中的方程组式(3)和(4)，求解获得的收发端方位角及俯仰角的N组取值(中心点除外)如表2所示。

[0064] 表2：收发端方位角及俯仰角取值

[0065]

[0066]

[0067] 2、将收发端的移动速度vt/vr、方向 及方位角 俯仰角 参数代入多普勒频移表达式，计算获得各散射支路的多普勒频移如图3所示。

[0068] 3、根据仿真参数，计算获得收发天线阵列的导引矢量分别为

[0069]

[0070] 4、将上述步骤获得的仿真参数代入仿真模型式(2)，实时计算输出MIMO信道衰落。

[0071] 本实施例所获得的效果可以通过图1-图5仿真实验中所获得的具体数据作进一步的说明。我们可以看到：1)从图1、2可以看出利用本发明提出的到达角/离开角的产生方法产生出的方位角/俯仰角的联合统计分布与与理论分布吻合；2)从图4、5可以看出双移动信道的幅值统计分布、包络自相关特性与传统的单移动瑞利信道的不同。

[0072] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。