CN106059685B - 时间演进大规模mimo信道模拟装置及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明时间演进大规模MIMO信道模拟装置中用户在主控PC子***上输入通信场景参数，参数计算单元计算MIMO各子信道衰落因子；将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单元的信道衰落RAM中；信道输入信号经过信号分解子***的信号分解单元，得到若干组模拟信号；模拟信号通过信号处理子***上的模数转换单元成为数字信号，传输到信道模拟单元，同时通过不同采样率读取滤波器RAM，获得时间演进的MIMO信道衰落；信道模拟单元将数字信号和信道衰落进行相乘累加后输出；信道输出信号的各个分量经过信号处理子***的数模转换单元，并连接到一个信号合成子***，再经过噪声叠加单元得到最终的信道输出信号。
Description
技术领域：
本发明涉及一种时间演进大规模MIMO信道模拟装置及其模拟方法，属于无线信息传输领域，特别针对动态时间演进传播场景下的大规模MIMO信道模拟方法。
背景技术：
无线通信已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，而无线通信***不论在设计开发阶段，还是在通信网络的规划及部署，都要考虑无线传播环境的影响。比如，无线电波信号在传播过程中受地形、地貌及传输距离的影响存在路径损耗，由于反射、散射及绕射等因素还会产生多径衰落。同时，收发端的移动使得电波信号产生多普勒频移，此外，受周围建筑物及地貌遮挡的影响，还可能存在阴影衰落。为了有效地评估和验证无线通信***的方案及性能，减少研发成本、缩短开发测试周期，需要在实验室环境下模拟复杂的电磁传播环境，即研制具备实时信道模拟功能的硬件模拟器。
多输入多输出(Multiple-input Multiple-out,MIMO)技术可以提高***的信道容量、信息传输速率与可靠性，已成为***移动通信***(4G)的核心技术之一。然而，随着智能终端的普及以及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，预计2020年的无线通信传输速率需求将是目前正在运营***的千倍。为此，新一代移动通信***(5G)考虑通过显著增加基站侧配置天线的个数，即以大规模阵列天线替代目前采用的多天线，从而形成大规模MIMO无线通信环境，以深度挖掘利用空间维度的无线资源，解决未来移动通信的频谱效率及功率效率问题。与此同时，伴随着天线数目的急剧增加，传统的MIMO信道模拟器将难以完成***测试验证工作。
另一方面，随着移动-移动(Mobile-to-Mobile，M2M)和高速铁路(High SpeedTrain，HST)等高速移动场景下信道实测研究的深入。大量实测数据表明，通信收发端都处于移动状态的通信场景下，无线传播信道的多径衰落分布、多普勒谱和时延谱等统计特性均具有时变特性，属于时变非平稳衰落信道。故针对未来5G信道的标准模型采纳了非平稳信道建模的思想，这也导致针对传统平稳衰落信道的MIMO信道模拟器将不再适用。
因此，研制移动时变场景下非平稳信道的硬件模拟器是解决未来大规模MIMO通信***算法验证及性能评估的重要步骤。然而，当天线数目非常多时，需要解决MT×MR个MIMO子信道在硬件实现中的处理资源限制问题。另一方面，各子信道之间的数据交互，将导致硬件存在更严重的连线资源限制。
发明内容：
本发明提供一种针对收发端移动场景下的时间演进大规模MIMO信道模拟装置及其模拟方法，该方法可以实时模拟复现动态场景下任意天线数目的MIMO信道衰落。
本发明采用如下技术方案：一种时间演进大规模MIMO信道模拟装置，包括主控PC子***、信号分解子***、信号处理子***和信号合成子***；所述主控PC子***包括用户交互单元和参数计算单元；所述信号分解子***包括信号分解单元；所述信号处理子***包括模数转换单元，信道模拟单元和数模转换单元；所述信号合成子***包括信号合成单元和噪声叠加单元；所述参数计算单元的输出接口与所述信道模拟单元的输入接口以PCIE总线相连；所述信号分解单元的输出接口与模数转换单元的输入接口相连；所述模数转换单元的输出接口与信道模拟单元的输入接口相连；所述信道模拟单元的输出接口与数模转换单元的输入接口相连；所述数模转换单元的输出接口与信号合成单元的输入接口相连；所述信号合成单元的输出接口与噪声叠加单元相连。
本发明还采用如下技术方案：一种时间演进大规模MIMO信道模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：
第一步，用户在主控PC子***上，通过用户交互单元输入通信场景参数，参数计算单元根据输入参数，计算MIMO各子信道衰落因子；
第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单元的信道衰落RAM中；
第三步，信道输入信号经过信号分解子***的信号分解单元，得到若干组模拟信号；
第四步，模拟信号通过信号处理子***上的模数转换单元成为数字信号，传输到信道模拟单元，同时通过不同采样率读取滤波器RAM，获得时间演进的MIMO信道衰落；
第五步，信道模拟单元将数字信号和时间演进信道衰落进行相乘累加，得到信道输出信号的各个数字分量；
第六步，信道输出信号的各个分量经过信号处理子***的数模转换单元，得到信道输出信号的各个模拟分量；
第七步，将同一个信道输出信号的所有分量连接到一个信号合成子***，经过信号合成单元合成，再经过噪声叠加单元得到最终的信道输出信号。
进一步地，第一步具体产生步骤如下：
1)计算各子信道的路径损耗α(t)，并进行定点量化；
2)产生功率归一化的独立同分布复高斯衰落信道G；
3)计算获得MIMO各子信道的互相关矩阵RH；
4)如果RH为正定阵，利用Cholesky分解获得下三角系数矩阵L，否则采用特征值分解方法求解L；
5)利用并定点化后获得归一化衰落矩阵；
6)重复1)-5)产生L个子信道衰落矩阵。
进一步地，第四步具体实现步骤如下
1)通过用户交互单元输入的采样率，参数计算单元得到第一级内插倍数，第二级内插倍数，第三级内插倍数，传输到滤波器RAM；
2)通过高精度DDS产生4个任意时钟源，CLK1为读取RAM的时钟，CLK2为第一级内插时钟，CLK3为第二级内插时钟，CLK 4为第三级内插时钟，4个时钟源的相位相同；
3)第一级内插采用高性能的多相滤波结构实现1～100内插；多相滤波器的滤波器系数由参数计算单元计算，并存储在滤波器RAM中；
4)第二级采用半带滤波器实现1～2倍内插；
5)第三级采用CIC滤波器实现1～5倍内插；使用了5个寄存器存储5个数据，由第三级内插倍数控制累加的寄存器数量，即控制滤波器阶数；
6)通过改变采样率，重复1)-5)即可以得到时间演进连续衰落。
本发明具有如下有益效果：
(1)将大规模MIMO信道分解为基本矩阵计算单元，并采用FPGA为核心的两输入两输出基本信道模拟单元，构建一种适用于大规模MIMO信道的模拟器，该模拟器易于硬件扩展，可用于任意天线数目的信道硬件模拟；
(2)采用了信号在模拟域分解和合并的技术，解决了大规模FPGA基本信道模拟单元之间的信号同步问题；
(3)提出了一种基于可变采样率读取信道衰落的方案，从而实现信道输出衰落的时间演进效果，既提高了***实时处理能力，又解决了存储器容量受限的问题。
附图说明：
图1为MIMO***模型图。
图2为本发明装置采用的硬件实现方案图。
图3为本发明时间演进信道衰落的产生方法图。
具体实施方式：
考虑一个配置MT个发射天线和MR个接收天线的MIMO***(如图1所示)，信道输入-输出关系为
y(t)＝H(τ,t)*x(t)+n(t) (1)
其中，为发射信号矢量；为信道噪声矢量；为接收信号矢量；假设各子信道的多径簇数目为L，则MIMO信道模型可表示为
其中，hi,j(τ,t)表示第j个发射天线和第i个接收天线之间的脉冲响应，τl表示第l径的时延，L表示离散化多径簇数目。
针对上述MIMO信道模型，传统模拟器硬件实现方式包括两种：预存式和实时式，其中预存式的产生算法，存储量大，难以支持时变动态场景；实时式的产生算法，运算量大，难以支持大规模多通道场合。
本发明涉及一种时间演进大规模MIMO信道模拟装置，首先采用矩阵分解的方法改写信道模型表示形式，令
及
将式(2)改写为
即
针对式(6)模型形式，本发明时间演进大规模MIMO信道模拟装置包括主控PC子***、信号分解子***、信号处理子***和信号合成子***(如图2所示)，主控PC子***包括用户交互单元1-1和参数计算单元1-2；信号分解子***包括信号分解单元1-3；信号处理子***包括模数转换单元1-4，信道模拟单元1-5和数模转换单元1-6；信号合成子***包括信号合成单元1-7和噪声叠加单元1-8；参数计算单元1-2的输出接口与信道模拟单元1-5的输入接口以PCIE总线相连；信号分解单元1-3的输出接口与模数转换单元1-4的输入接口相连；模数转换单元1-4的输出接口与信道模拟单元1-5的输入接口相连；信道模拟单元1-5的输出接口与数模转换单元1-6的输入接口相连；数模转换单元1-6的输出接口与信号合成单元1-7的输入接口相连；信号合成单元1-7的输出接口与噪声叠加单元1-8相连。
本发明时间演进大规模MIMO信道模拟装置内部信号的处理流程如下：信道输入信号(xn-1,xn)经过信号分解子***分解为多组模拟信号；在信号处理子***中，各组模拟信号经过模数转换单元1-4输入到信道模拟单元1-5，与参数计算单元1-2传输下来的信道衰落叠加，最后通过数模转换单元1-6，输出包含(xn-1,xn)信息的分量；将同一个输出信号的所有分量连接到一个信号合成子***，通过信号合成单元1-7合成，再通过噪声叠加单元1-8，最终得到信道输出信号
本发明时间演进大规模MIMO信道模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：
第一步，用户在主控PC子***上，通过用户交互单元1-1输入通信场景参数，信道参数计算单元1-2根据输入参数，计算MIMO各子信道衰落因子，具体产生步骤如下：
(1)计算各子信道的路径损耗α(t)，并进行定点量化；
(2)产生功率归一化的独立同分布复高斯衰落信道G；
(3)计算获得MIMO各子信道的互相关矩阵RH；
(4)如果RH为正定阵，利用Cholesky分解获得下三角系数矩阵L，否则采用特征值分解方法求解L；
(5)利用并定点化后获得归一化衰落矩阵；
(6)重复1)-5)产生L个子信道衰落矩阵；
第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单元1-5的信道衰落RAM中；
第三步，信道输入信号经过信号分解子***的信号分解单元1-3，得到若干组模拟信号；
第四步，模拟信号通过信号处理子***上的模数转换单元1-4成为数字信号，传输到信道模拟单元1-5，同时通过不同采样率读取滤波器RAM，获得时间演进的MIMO信道衰落，具体实现步骤如下(如图3所示)：
1)通过用户交互单元1-1输入采样率，参数计算单元1-2得到第一级内插倍数，第二级内插倍数，第三级内插倍数，传输到滤波器RAM；
2)产生4个任意时钟源，CLK1为读取RAM的时钟，CLK2为第一级内插时钟，CLK3为第二级内插时钟，CLK 4为第三级内插时钟，4个时钟源的相位相同；
3)第一级内插采用高性能的多相滤波结构实现1～100内插；多相滤波器的滤波器系数由参数计算单元1-2计算，并存储在滤波器RAM中；
4)第二级采用半带滤波器实现1～2倍内插；
5)第三级采用CIC滤波器实现1～5倍内插；使用了5个寄存器存储5个数据，由第三级内插倍数控制累加的寄存器数量，即控制滤波器阶数；
6)通过改变采样率，重复1)-5)即可以得到时间演进连续衰落；
第五步，信道模拟单元1-5将数字信号和时间演进信道衰落进行式(6)所示的相乘累加，得到信道输出信号的各个数字分量；
第六步，信道输出信号的各个分量经过信号处理子***的数模转换单元1-6，得到了信道输出信号的各个模拟分量；
第七步，将同一个信道输出信号的所有分量连接到一个信号合成子***，经过信号合成单元1-7合成，再经过噪声叠加单元1-8得到最终的信道输出信号。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以8×8的3径MIMO信道为例并结合本发明的附图，对技术方案进行清楚、完整的描述。
利用本发明矩阵分解的方法，8×8的3径MIMO信道可以表示为
即
可见，8×8的MIMO信道模拟需要4个信号分解子***，16个信号处理子***和4个信号合成子***；其中4个信号分解子***将8路信道输入信号分解成32路模拟信号，并传输到16个信号处理子***；信号处理子***上的模数转换单元1-4将处理得到的数字信号输入到信道模拟单元1-5，信道模拟单元1-5处理式(7)中的矩阵运算，得到的数字信号经过数模转换单元1-6得到32路模拟信号，分别将同一个信道输出信号的分量连接到一个信号合成子***上，经过信号合成单元1-7进行合成，再通过噪声叠加模块1-8，最终输出一定信噪比的y1～y8信号。
具体实施步骤如下：
第一步，用户在主控PC机上，通过用户交互单元1-1输入通信场景参数，信道参数计算单元1-2根据输入参数，计算MIMO各子信道衰落因子，产生步骤如下：
1)根据式(9)计算路径损耗α(t)，并进行定点量化；
α(t)＝32.44+20lg(fMHz)+20lg(dkm) (9)
式中，fMHz,dkm分别表示频率和通信距离且单位采用MHz，km；
2)参考非专利文献1[PATZOLD M,Mobile fading channel[M].New York:Wiley.2002:51-81.]中的谐波叠加方法产生功率归一化的独立同分布信道衰落矩阵G；
其中，N表示散射支路数目，此处取为32，fd表示多普勒频率，αn,ij,φn指各散射支路随机的入射角和初始相位；
3)利用用户输入的发射天线相关矩阵RTx和接收天线相关矩阵RRx的Kronecker积计算MIMO信道的空间互相关矩阵RH；
4)如果RH为正定阵，利用Cholesky分解获得下三角系数矩阵L，否则采用采用特征值分解方法求解L；
5)利用系数矩阵L和信道矩阵G的向量化计算得到MIMO相关衰落信道矩阵H，即
vec(H)＝L·vec(G)＝RH 1/2·[g11…g18…g81…g88]T (11)
第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单元1-5的信道衰落RAM中；
第三步，信道输入信号经过信号分解子***的信号分解单元1-3，得到若干组模拟信号；
第四步，模拟信号通过信号处理子***上的模数转换单元1-4成为数字信号，传输到信道模拟单元1-5，同时通过不同采样率读取滤波器RAM，获得时间演进的MIMO信道衰落，具体实现步骤如下：
1)通过用户交互界面1-1输入采样率100KHz，计算出第一级内插倍数为100倍，第二级内插倍数为2倍，第三级内插倍数为5倍，传输给信道模拟单元1-5；
2)产生任意时钟源，时钟源1为读取RAM的时钟100KHz，时钟源2为第一级内插时钟10MHz，时钟源3为第二级内插时钟20MHz，时钟源4为第三级内插时钟100MHz；
3)第一级内插采用高性能的多相滤波结构实现100倍内插；多相滤波器的滤波器系数由参数计算单元1-2计算，并存储在滤波器RAM中；
4)第二级采用半带滤波器实现2倍内插；
5)第三级采用CIC滤波器，使用5个寄存器存储5个数据，累加后输出，即得到5倍内插的效果，最终输出1000倍内插的信道衰落；
6)通过改变采样率，重复1)-5)即可以得到时间演进的信道衰落；
第五步，信道模拟单元1-5将数字信号和时间演进连续信道衰落进行相乘累加，得到信道输出信号的各个数字分量；
第六步，信道输出信号的各个分量经过信号处理子***的数模转换单元1-6，得到了信道输出信号的各个模拟分量；
第七步，将同一个信道输出信号的所有分量连接到一个信号合成子***，经过信号合成单元1-7合成，再经过噪声叠加单元1-8得到最终的信道输出信号。
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。
Claims (3)
1.一种时间演进大规模MIMO信道模拟装置的模拟方法，其中时间演进大规模MIMO信道模拟装置包括主控PC子***、信号分解子***、信号处理子***和信号合成子***；所述主控PC子***包括用户交互单元(1-1)和参数计算单元(1-2)；所述信号分解子***包括信号分解单元(1-3)；所述信号处理子***包括模数转换单元(1-4)，信道模拟单元(1-5)和数模转换单元(1-6)；所述信号合成子***包括信号合成单元(1-7)和噪声叠加单元(1-8)；所述参数计算单元(1-2)的输出接口与所述信道模拟单元(1-5)的输入接口以PCIE总线相连；所述信号分解单元(1-3)的输出接口与模数转换单元(1-4)的输入接口相连；所述模数转换单元(1-4)的输出接口与信道模拟单元(1-5)的输入接口相连；所述信道模拟单元(1-5)的输出接口与数模转换单元(1-6)的输入接口相连；所述数模转换单元(1-6)的输出接口与信号合成单元(1-7)的输入接口相连；所述信号合成单元(1-7)的输出接口与噪声叠加单元(1-8)相连，其特征在于：包括如下步骤
第一步，用户在主控PC子***上，通过用户交互单元(1-1)输入通信场景参数，参数计算单元(1-2)根据输入参数，计算MIMO各子信道衰落因子；
第二步，通过PCIE高速数据总线接口将信道衰落矩阵分别传输到各个信道模拟单元(1-5)的信道衰落RAM中；
第三步，信道输入信号经过信号分解子***的信号分解单元(1-3)，得到若干组模拟信号；
第四步，模拟信号通过信号处理子***上的模数转换单元(1-4)成为数字信号，传输到信道模拟单元(1-5)，同时通过不同采样率读取滤波器RAM，获得时间演进的MIMO信道衰落；
第五步，信道模拟单元(1-5)将数字信号和时间演进信道衰落进行相乘累加，得到信道输出信号的各个数字分量；
第六步，信道输出信号的各个数字分量经过信号处理子***的数模转换单元(1-6)，得到信道输出信号的各个模拟分量；
第七步，将同一个信道输出信号的所有模拟分量连接到一个信号合成子***，经过信号合成单元(1-7)合成，再经过噪声叠加单元(1-8)得到最终的信道输出信号。
2.如权利要求1所述的时间演进大规模MIMO信道模拟装置的模拟方法，其特征在于：第一步具体产生步骤如下：
1)计算各子信道的路径损耗α(t)，并进行定点量化；
2)产生功率归一化的独立同分布复高斯衰落信道G；
3)计算获得MIMO各子信道的互相关矩阵RH；
4)如果RH为正定阵，利用Cholesky分解获得下三角系数矩阵L，否则采用特征值分解方法求解L；
5)利用并定点量化后获得归一化衰落矩阵；
6)重复1)-5)产生L个子信道衰落矩阵。
3.如权利要求2所述的时间演进大规模MIMO信道模拟装置的模拟方法，其特征在于：第四步具体实现步骤如下
1)通过用户交互单元(1-1)输入的采样率，参数计算单元(1-2)得到第一级内插倍数，第二级内插倍数，第三级内插倍数，传输到滤波器RAM；
2)通过高精度DDS产生4个任意时钟源，CLK1为读取信道衰落RAM的时钟，CLK2为第一级内插时钟，CLK3为第二级内插时钟，CLK 4为第三级内插时钟，4个时钟源的相位相同；
3)第一级内插采用高性能的多相滤波结构能够实现1～100倍任意倍数内插；多相滤波器的滤波器系数由参数计算单元(1-2)计算，并存储在滤波器RAM中；
4)第二级采用半带滤波器能够实现1倍或者2倍内插；
5)第三级采用CIC滤波器能够实现1～5倍任意倍数内插；使用了5个寄存器存储5个数据，由第三级内插倍数控制累加的寄存器数量，即控制滤波器阶数；
6)通过改变采样率，重复1)-5)即可以得到时间演进信道衰落。
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