一种基于角度联合概率的非对称波束信道多径演化方法

摘要

本发明提供了一种基于角度联合概率的非对称波束信道多径演化方法。该方法包括：采用泊松过程确定多径簇的生成时刻，采用取整的Gamma分布生成某时刻的多径簇的多径数目；对每条多径根据Gamma分布函数生成准到达角，采用混合高斯分布刻画准到达角与准离开角间的关系，采用指数函数和正态分布刻画准达到角与多径传播时延间的关系并生成传播时延；根据收发端的波束主瓣宽度，筛选掉准到达角超出接收波束范围外或准离开角的多径；更新终端位置，计算每条多径的生存概率，对每条多径赋予生灭特性，直至指定仿真时刻。本发明弥补了现有随机信道建模理论中未考虑到达角与离开角间的联合分布，为非对称波束这一特殊模式下的无线信道建模提供了一种新方法。

权利要求

1.一种基于角度联合概率的非对称波束信道多径演化方法，其特征在于，包括：采用泊松过程确定多径簇的生成时刻，采用取整的Gamma分布生成某时刻的多径簇的多径数目；

对每条多径根据Gamma分布函数生成准到达角，采用混合高斯分布刻画准到达角与准离开角间的关系，基于准到达角生成准离开角，采用指数函数和正态分布刻画准达到角与多径传播时延间的关系并生成传播时延；

根据收发端的波束主瓣宽度，筛选掉准到达角超出接收波束范围外或准离开角的多径；更新终端位置，计算每条多径的生存概率，对每条多径赋予生灭特性，重复上述处理过程，直至指定仿真时刻；

所述的多径簇的生成时刻服从泊松过程，泊松过程表示为：

其中Δt表示信道变化的最小时间间隔，n是自然数，tk和tk‑1分别表示第k个与第k‑1个多径簇生成时刻，参数λbirth表示多径簇的生成速率；

所述取整的Gamma函数表示为：

其中Nray(tk)表示第k个时刻生成的射线数目；其中符号 表示四舍五入运算，d(tk)表示在时刻tk时收发端间的直线距离，参数A用于控制最大多径数目，参数B用于控制多径生成速率，参数C用于控制多径消亡速率；

所述的准到达角指的是多径末次反射点与终端所构成的矢量与收发端直射径矢量间所呈的夹角，表示为：其中β表示准到达角， 表示从多径的发射端位置至接收端位置的LOS矢量， 表示多径末次反射点位置与终端位置所构成的矢量，符号<·>表示矢量内积，符号||·||表示矢量求模；

所述准离开角指的是多径发射点与多径首次反射点所构成的矢量与收发端LOS径间所呈的夹角，表示为：其中α表示准离开角， 表示发射端位置与首次反射点位置所构成的矢量；

所述的准到达角β服从Gamma分布，具体表达式如下：

其中a是形状参数，b是尺度参数，Γ(·)表示Gamma函数，βn表示第n条多径的准到达角，f(βn|a,b)表示在参数a和b已知的条件下第n条多径的准到达角的概率；

所述的采用高斯混合分布来刻画准到达角β与准离开角α间的关系，具体表达式如下：其中K表示高斯分量的数目， 表示包含准到达角和离开角的数据，ρk表示第k个高斯分量所占的比例， 表示第k个高斯分量的参数，包含均值矩阵 和协方差矩阵Σk，符号|·|表示求行列式运算， 表示高斯混合分布函数，其中 表示包含准到达角和离开角的输入数据，θ为模型的参数， 表示在参数θk已知的条件下，根据输入数据 计算对应的输出数值；

根据公式(3)生成准到达角β后，根据如下公式生成准离开角：‑1

αn＝find{seed＝CDF (α|βn)}                    (8)‑1

其中seed表示在(0,1)间均匀分布的随机数，CDF (·)表示高斯混合模型的累计概率分布的反函数，αn表示第n条多径的准离开角；

所述的准到达角β与传播距离d间存在一定关系，采用指数函数和正态分布刻画准到达角与多径传播时延间的关系，具体表达式如下：其中c表示光速，u是拟合参数，v是指数项参数，控制着增长速率； 表示高斯分布函数，w＞0是控制着标准差的参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的非对称波束为多天线阵列产生的具有不同主瓣宽度的波束，其中收发端天线阵元对应的权重系数为 与其中P和Q分别表示收发端天线阵列的阵元数目；对于角度为x的天线阵列的导向矢量表示为： 其中Δd表示相邻两阵元的间距，κ表示真空中的波数，其与波长λ的关系如下：κ＝2π/λ；

收发端的波束始终处于对齐状态，则对于准离开角为αn、准到达角为βn的第n条多径，收发端波束对该多径的影响表示为：其中 和 表示发射端和接收端的导向矢量；发端权重系数 和收端权重系数的取值根据Dolph‑Chebyshev滤波器进行设定，通过设定波束主瓣的宽度θTx/Rx确定出发端权重系数 和收端权重系数 的数值；波束主瓣宽度与增益关系如下：若αn＞θTx或βn＞θRx，则Gn＝0；

更新时间后t→t+Δt，所述的多径的生存概率计算公式如下：其中dn表示第n条射线的距离，Dmax表示所有时刻的所有射线中的最长射线的距离，将上式近似为：其中 表示终端速度矢量，λBD表示多径生灭速率；随机生成一均匀分布在(0,1)间的随机数seed，若 则该多径在时刻t+Δt存活，反之则消亡；重复公式(1)‑(11)对应的所有步骤，直至达到指定的仿真时间。

说明书

一种基于角度联合概率的非对称波束信道多径演化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于角度联合概率的非对称波束信道多径演化方法。

背景技术

[0002] 2019年，5G商用牌照将发放，我国正式进入5G商用元年。作为5G中的关键技术之一，MIMO(Multiple Input Multiple Output,多输入多输出系统)技术和波束赋形技术，不仅能通过利用空间资源大幅度提高数据速率，大大提高了频带利用率，还能克服高频段信号严重的路径损耗，因而吸引了学术界和工业界的广泛关注。目前采用的毫米波MIMO全数字/混合多波束阵列是将收发阵列进行对称设计，即收发通道数目相同，产生的收发波束宽度也一致，但是该方法信号处理复杂度高、成本昂贵、功耗大。对此，部分学者提出了非对称波束的概念，以期在逼近系统最佳性能的同时，克服上述瓶颈问题。非对称波束，即收发端波束不对称，具有波束扫描范围广、波束对准和管理较容易、波束追踪速度快、系统容量高、硬件设计复杂度低等优点。因此，准确、高效的非对称波束信道模型对于研究、分析非对称波束场景下的电波传播特性、通信系统优化等方面能提供重要的物理层技术支撑。

[0003] 目前，现有技术中的无线信道模型可分为两大类：经验模型和理论性模型。经验模型主要是通过大量的实地测量数据统计出信道关键参数的变化趋势，然而学术界暂无关于非对称波束的相关测量成果。在理论建模方面，具有代表性的模型为确定性信道模型(如多径跟踪法)和基于几何的随机信道模型，虽有部分工作对波束信道建模理论展开了研究，但是对非对称波束这一特殊模式的相关研究也少之又少，并这些工作未考虑多径到达角与离开角间的联合分布，难以刻画非波束对信道特性的影响。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种基于角度联合概率的非对称波束多径生存概率计算方法，用于解决现有随机信道建模理论未考虑非对称波束模式这一问题。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

[0006] 一种基于角度联合概率的非对称波束信道多径演化方法，包括：

[0007] 采用泊松过程确定多径簇的生成时刻，采用取整的Gamma分布生成某时刻的多径簇的多径数目；

[0008] 对每条多径根据Gamma分布函数生成准到达角，采用混合高斯分布刻画准到达角与准离开角间的关系，基于准到达角生成准离开角，采用指数函数和正态分布刻画准达到角与多径传播时延间的关系并生成传播时延；

[0009] 根据收发端的波束主瓣宽度，筛选掉准到达角超出接收波束范围外或准离开角的多径；更新终端位置，计算每条多径的生存概率，对每条多径赋予生灭特性，重复上述处理过程，直至指定仿真时刻。

[0010] 优选地，所述的多径簇的生成时刻服从泊松过程，泊松过程表示为：

[0011]

[0012] 其中Δt表示信道变化的最小时间间隔，n是自然数，tk和tk‑1分别表示第k个与第k‑1个多径簇生成时刻，参数λbirth表示多径簇的生成速率；

[0013] 所述取整的Gamma函数表示为：

[0014]

[0015] 其中Nray(tk)表示第k个时刻生成的射线数目，符号 表示四舍五入运算，d(tk)表示在时刻tk时收发端间的直线距离，参数A用于控制最大多径数目，参数B用于控制多径生成速率，参数C用于控制多径消亡速率。

[0016] 优选地，所述的准到达角指的是多径末次反射点与终端所构成的矢量与收发端直射径矢量间所呈的夹角，表示为：

[0017]

[0018] 其中β表示准到达角， 表示从多径的发射端位置至接收端位置的LOS矢量， 表示多径末次反射点位置与终端位置所构成的矢量，符号<·>表示矢量内积，符号||·||表示矢量求模；

[0019] 所述准离开角指的是多径发射点与多径首次反射点所构成的矢量与收发端LOS径间所呈的夹角，表示为：

[0020]

[0021] 其中α表示准离开角， 表示发射端位置与首次反射点位置所构成的矢量；

[0022] 所述的准到达角β服从Gamma分布，具体表达式如下：

[0023]

[0024] 其中a是形状参数，b是尺度参数，Γ(·)表示Gamma函数，βn表示第n条多径的准到达角，f(βn|a,b)表示在参数a和b已知的条件下第n条多径的准到达角的概率；

[0025] 所述的采用高斯混合分布来刻画准到达角β与准离开角α间的关系，具体表达式如下：

[0026]

[0027]

[0028] 其中K表示高斯分量的数目， 表示包含准到达角和离开角的数据，ρk表示第k个高斯分量所占的比例， 表示第k个高斯分量的参数，包含均值矩阵 和协方差矩阵Σk，符号|·|表示求行列式运算， 表示高斯混合分布函数，其中 表示包含准到达角和离开角的输入数据，θ为模型的参数， 表示在参数θk已知的条件下，根据输入数据 计算对应的输出数值；

[0029] 根据公式(3)生成准到达角β后，根据如下公式生成准离开角：

[0030] αn＝find{seed＝CDF‑1(α|βn)}   (8)

[0031] 其中seed表示在(0,1)间均匀分布的随机数，CDF‑1(·)表示高斯混合模型的累计概率分布的反函数，αn表示第n条多径的准离开角；

[0032] 所述的准到达角β与传播距离d间存在一定关系，采用指数函数和正态分布刻画准到达角与多径传播时延间的关系，具体表达式如下：

[0033]

[0034] 其中c表示光速，u是拟合参数，v是指数项参数，控制着增长速率； 表示高斯分布函数，w＞0是控制着标准差的参数。

[0035] 优选地，所述的非对称波束为多天线阵列产生的具有不同主瓣宽度的波束，其中收发端天线阵元对应的权重系数为 与 其中P和Q分别表示收发端天线阵 列的 阵元数目 ；对于 角度为x的 天线阵 列的 导向矢 量表示为 ：
其中Δd表示相邻两阵元的间距，κ表示真空中的波数，其与
波长λ的关系如下：κ＝2π/λ；

[0036] 收发端的波束始终处于对齐状态，则对于准离开角为αn、准到达角为βn的第n条多径，收发端波束对该多径的影响表示为：

[0037]

[0038] 其中 和 表示发射端和接收端的导向矢量；发端权重系数 和收端权重系数 的取值根据Dolph‑Chebyshev滤波器进行设定，通过设定波束主瓣的宽度θTx/Rx确定出发端权重系数 和收端权重系数 的数值；波束主瓣宽度与增益关系如下：若αn＞θTx或βn＞θRx，则Gn＝0；

[0039] 更新时间后t→t+Δt，所述的多径的生存概率计算公式如下：

[0040]

[0041] 其中dn表示第n条射线的距离，Dmax表示所有时刻的所有射线中的最长射线的距离，将上式近似为：

[0042]

[0043] 其中 表示终端速度矢量，λBD表示多径生灭速率；随机生成一均匀分布在(0,1)间的随机数seed，若 则该多径在时刻t+Δt存活，反之则消亡；重复公式(1)‑(11)对应的所有步骤，直至达到指定的仿真时间。

[0044] 由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，该方法弥补了现有随机信道建模理论中未考虑高次反射条件下到达角与离开角间的联合分布，为非对称波束这一特殊模式下的无线信道建模提供了一种新方法。

[0045] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0046] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0047] 图1为本发明提供的一种基于角度联合概率的非对称波束多径生存概率计算方法的处理流程图。

具体实施方式

[0048] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

[0049] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

[0050] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0051] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

[0052] 本发明实施例提供的一种基于角度联合概率的非对称波束多径生存概率计算方法的处理流程如图1所示，包括如下处理步骤：

[0053] 步骤S1、采用泊松过程确定多径簇的生成时刻，采用取整的Gamma分布生成某时刻的多径簇的多径数目。

[0054] 下述公式(3)至公式(9)所描述的多径演化过程，均是针对公式(1)所生成的多径簇内所有的多径开展的操作，即：先根据该步骤确定多径簇的生成时刻和数目，再针对每簇内的多径进行演化操作。

[0055] 上述泊松过程可表示为：

[0056]

[0057] 其中Δt表示信道变化的最小时间间隔，n是自然数，tk和tk‑1分别表示第k个与第k‑1个多径簇生成时刻，参数λbirth表示多径簇的生成速率；所述的取整Gamma分布函数可表示为：

[0058]

[0059] 其中Nray(tk)表示第k个时刻生成的射线数目，符号 表示四舍五入运算，d(tk)表示在时刻tk时收发端间的直线距离，参数A用于控制最大多径数目，参数B用于控制多径生成速率，参数C用于控制多径消亡速率。

[0060] 步骤S2、对每条多径根据Gamma分布函数生成准到达角，采用混合高斯分布刻画准到达角与准离开角间之间的关系，基于准到达角生成准离开角，采用指数函数和正态分布刻画准达到角与多径传播时延间的关系，生成传播时延。所述的准到达角指的是多径末次反射点与终端所构成的矢量与收发端直射径(Line‑of‑sight，LOS)矢量间所呈的夹角。根据射线跟踪理论，每条多径的起点是发端，在传播环境中经历多次反射后最终到达终端，多径末次反射点是指的该条多径到达终端前在反射物体上的末次反射点。

[0061] 可表示为：

[0062]

[0063] 其中β表示准到达角， 表示从发射端位置至接收端位置的LOS矢量， 表示末次反射点位置与终端位置所构成的矢量，符号<·>表示矢量内积，符号||·||表示矢量求模。

[0064] 类似的，准离开角指的是多径发射点与多径首次反射点所构成的矢量与收发端LOS径间所呈的夹角，可表示为：

[0065]

[0066] 其中α表示准离开角， 表示发射端位置与首次反射点位置所构成的矢量；

[0067] 所述的准到达角β服从Gamma分布，具体表达式如下：

[0068]

[0069] 其中a是形状参数，b是尺度参数，Γ(·)表示Gamma函数，βn表示第n条多径的准到达角，f(βn|a,b)表示在参数a和b已知的条件下第n条多径的准到达角的概率。在基于公式(5)生成该多径对应的准到达角后，利用公式(8)来生成该条多径对应的准离开角。

[0070] 采用高斯混合分布来刻画准到达角β与准离开角α间的关系，具体表达式如下：

[0071]

[0072]

[0073] 其中K表示高斯分量的数目， 表示包含准到达角和离开角的数据，ρk表示第k个高斯分量所占的比例， 表示第k个高斯分量的参数，包含均值矩阵 和协方差矩阵Σk，符号|·|表示求行列式运算， 表示高斯混合分布函数，其中 表示包含准到达角和离开角的输入数据，θ为模型的参数， 表示在参数θk已知的条件下，根据输入数据 计算对应的输出数值；

[0074] 根据公式(3)生成准到达角β后，根据如下公式生成准离开角：

[0075] αn＝find{seed＝CDF‑1(α|βn)}   (8)

[0076] 其中seed表示在(0,1)间均匀分布的随机数，CDF‑1(·)表示高斯混合模型的累计概率分布的反函数，αn表示第n条多径的准离开角；

[0077] 每条多径的传播特性包括：到达角、离开角、传播时延。传播时延是多径的主要特性之一，因而需要计算传播时延。

[0078] 所述的准到达角β与传播距离d间存在一定关系，采用指数函数与高斯分布来描述两者关系，具体表达式如下：

[0079]

[0080] 其中c表示光速，u是拟合参数，v是指数项参数，控制着增长速率； 表示高斯分布函数，w＞0是控制着标准差的参数；该式中第一项表明随着准到达角的增大，多径的传播距离呈指数增长趋势，第二项为服从均值为0，且方差随准到达角增大而增大的正态分布随机过程。

[0081] 步骤S3、根据收发端的波束主瓣宽度，筛选掉准到达角超出接收波束范围或准离开角的多径；更新终端位置，计算每条多径的生存概率，对每条多径赋予生灭特性。重复上述步骤，直至指定仿真时刻。所述的仿真时刻是指用户初始设定的最大仿真时长。

[0082] 在无线信道建模中，由于收发端、传播环境处于运动状态的影响，导致多径存在“生存‑灭亡”的，采用概率的方法描述每条多径的生存概率，有助于为随机性信道建模方法提供多径演化的依据。

[0083] 所述的波束为多天线阵列产生的具有不同主瓣宽度的波束，其中收发端天线阵元对应的权重系数为 与 其中P和Q分别表示收发端天线阵列的阵元数目。对于角度为x的天线阵列的导向矢量可表示为：

[0084] 其中Δd表示相邻两阵元的间距，κ表示真空中的波数，其与波长λ的关系如下：κ＝2π/λ；

[0085] 收发端的波束始终处于对齐状态，则对于准离开角为αn、准到达角为βn的第n条多径，收发端波束对该多径的影响可表示为：

[0086]

[0087] 其中 和 表示发射端和接收端的导向矢量。发端权重系数 和收端权重系数 的取值根据Dolph‑Chebyshev滤波器进行设定，该滤波器能较好的抑制旁瓣泄漏，通过设定波束主瓣的宽度θTx/Rx，进而确定出发端权重系数 和收端权重系数 的数值；波束主瓣宽度与增益关系如下：若αn＞θTx或βn＞θRx，则Gn＝0；

[0088] 更新时间后t→t+Δt，所述的多径的生存概率计算公式如下：

[0089]

[0090] 其中dn表示第n条射线的距离，Dmax表示所有时刻的所有射线中的最长射线的距离，由于信道更新间隔Δt较短，所以可将上式近似为：

[0091]

[0092] 其中 表示终端速度矢量，λBD表示多径生灭速率；随机生成一均匀分布在(0,1)间的随机数seed，若 则该多径在时刻t+Δt存活，反之则消亡；重复公式(1‑11)对应的所有步骤，直至达到指定的仿真时间。最终得到的是时间由t→t+Δt时，某条多径对应的生存概率。基于所得到的生存概率，判断出在时刻t+Δt该条多径是否存活。

[0093] 综上所述，本发明实施例的基于角度联合概率的非对称波束多径生存概率计算方法考虑了准到达角与准离开角间的联合分布，对非对称波束这一特殊模式下的随机信道建模提供了一种新方法。

[0094] 本发明所提生存概率计算公式中，综合考虑了终端移动速度、多径距离、准到达/离开角等因素的影响，能为随机信道建模中多径的演化提供理论支撑与依据。

[0095] 本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

[0096] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

[0097] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0098] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。