CN110958069A - 一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，包括构建三维非平稳宽带双簇信道模型,给出多径传输的角度参数和模型参数；推导三维非平稳宽带双簇信道模型的矩阵表达式；推导LoS和NLoS传输路径下复冲激响应的函数表达式；推导NLoS多簇散射情况下，发射端发出的信号到达接收端的路径长度；引入生死算法，利用簇群在阵列和时间轴上的演变，推导在一定时间间隔后的簇群数量，以表示簇群在半椭圆隧道场景下的状态；推导不同传输路径间的空间互相关性函数，以分析不同传输链路的空间互相关特性；仿真验证构建的三维非平稳宽带双簇信道模型。本发明弥补了过去研究的不足,为分析三维非平稳宽带双簇信道的传输特性提供了一种建模方法,能够有效地应用到5G V2V无线通信***的性能分析中。
Description
技术领域
本发明属于MIMO V2V信道模型技术领域，具体涉及一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法。
背景技术
近年来，为了开发无线智能交通***，对第五代(5G)车对车(vehicle-to-vehicle,V2V)散射环境的统计传播特性的深入研究引起了研究人员的大量关注。在5G V2V通信***中采用多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)技术被认为是非常有益的，因为它们能够满足5G无线网络中车辆通信不断增长的业务需求。因此，对MIMOV2V信道的统计传播特性的基本理解在理论和实践方面都是至关重要的。
在无线多输入多输出通信环境中，来自发射机的波在到达接收机之前撞击路边环境中的散射体；因此，现有文献采用Ricean衰落信道来表征5G V2V通信中的传播特性。数值研究表明，基于几何的随机信道建模解的计算复杂度极低，而其精度非常高；因此，研究人员更有可能引入几何模型来研究5G通信场景中V2V信道的统计传播特性。到目前为止，已经引入了各种几何信道模型来描绘无线通信场景中的干扰对象的分布区域。鉴于此，可以根据发射器，接收器和干扰物体之间的特定几何关系导出不同场景下的传播路径长度和角度参数。具体来说，S.Wu和X.Cheng提出的多反弹散射模型来研究V2V通道的统计特性，采用椭圆模型描述移动无线通信环境中干扰物体的分布区域。R.He等人研究了双环参考模型中M2M(mobile-to-mobile,M2M)通道的时变统计特征，假设运动方向和速度是固定的。J.Zhang等人研究的三维衰落信道模型表明，当波从发射器到接收器的传播是二维(2D)模型时，无线通信***性能的评估是不准确的。因此，采用三维(3D)信道模型，即包括方位角和仰角角度参数，研究统计传播特性至关重要。H.Jiang提出了一个3D MIMO信道模型来模拟空中发射机和地面接收机之间的通信场景，假设高空发射机和地面接收机位于3D焦点上的倾斜椭球模型。此外，Y.Liu提出了用于5G高速列车无线通信的3D大规模MIMO信道模型，该模型研究了用于在空间，时间和频率域中建模信道非平稳特性的集群演进。
5G V2V通道中发射器和接收器之间的通信具有不同的干扰物体的几何分布，即矩形，马蹄形，椭圆形，圆形和半圆形。隧道环境中的V2V信道建模，特别是对于许多道路通过隧道，对于5G通信***的开发具有重要意义。以往的研究多集中在固定的发射机和接收机、散射体的位置，这具有一定的局限性，因为在现实场景下，发射机和接收机都在运动，同时散射体的位置也会随着发射机和接收机的运动而发生相应的改变。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，建立用于第五代(5G)车辆到车辆(V2V)隧道通信环境的通用三维(3D)非平稳宽带双簇信道模型，在所建立的模型中，接收信号被构造为具有视线(LoS)传播的分量和经由双群模型的分量之和，即非视距(NLoS)传播，因此，可以分析信号经历不同传播分量下的信道特性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，包括以下步骤：
步骤一：构建三维非平稳宽带双簇信道模型,给出多径传输的角度参数和模型参数，根据半圆形隧道的实际尺寸对隧道***进行几何建模；
步骤二：通过隧道散射场景中的几何关系以及三角恒等式，利用发射机、接收机以及散射体的位置推导三维非平稳宽带双簇信道模型的矩阵表达式；
步骤三：结合三维非平稳宽带双簇信道模型传递函数的表达式以及仰角和方位角分别推导LoS和NLoS传输路径下复冲激响应的函数表达式；
步骤四：由隧道***的几何建模结果得到在NLoS多簇散射情况下，发射端发出的信号到达接收端的路径长度；
步骤五：引入生死算法，利用簇群在阵列和时间轴上的演变，推导在一定时间间隔后的簇群数量，以表示簇群在半椭圆隧道场景下的状态；
步骤六：利用传递函数和生死算法推导不同传输路径间的空间互相关性函数，以分析不同传输链路的空间互相关特性；
步骤七：由三维非平稳宽带双簇信道模型的参数以及统计特性仿真验证构建的三维非平稳宽带双簇信道模型。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的步骤一构建的三维非平稳宽带双簇信道模型，采用半椭圆形隧道描述V2V信道中不同传输路径下的散射体分布，在LoS路径下，发射端发出的信号不经过任何散射体直接到达接收端，在NLoS路径下，发射端发出的信号通过多簇散射到达接收端。
上述的步骤一中，首先定义ClusterT作为发射端第一次反弹的簇群，ClusterR作为接收端最后一次反弹的簇群，ClusterT和ClusterR之间的传输环境抽象为一个虚拟连接；
假定隧道横截面半径为R，隧道长为D，发射端和接收端分别配置MT和MR根均匀线性天线，天线之间间距分别为δT和δR；发射端和接收端天线相对于x正半轴的倾斜角分别为ψT和ψR，发射机和接收机的位置分别为(xT,yT,zT)和(xR,yR,zR)；
假设发射端存在N1个有效散射体，第n1(n1＝1,2,...,N1)个散射体定义为
接收端存在N2个有效散射体，第n2(n2＝1,2,...,N2)个散射体定义为
发射端和接收端的散射***置分别为
和
其中，
和
都是自由变量。
上述的步骤二，所述三维非平稳宽带双簇信道模型传递函数的矩阵表达式为：
其中hpq(t,τ)表示发射端第p根天线与接收端第q根天线之间传输链路的复冲激响应，hpq(t,τ)为视距分量
和非视距分量
之和，t表示时间，τ表示时延。
上述的步骤三，所述LoS和NLoS传输路径下复冲激响应的函数表达式为：
其中，K表示莱斯分布因子，
表示非视距分量的初始相位，ξpq表示视距传输路径的长度，
表示非视距传输路径的长度,参数vT和vR分别表示发射端和接收端的运动速度，γT和γR分别表示发射端和接收端在水平面上的运动方向与x轴的夹角；
和
表示视距分量的水平发射角和到达角，
和
表示视距分量的垂直发射角和到达角；
和
表示非视距分量的水平发射角和到达角，
和
表示非视距分量的垂直发射角和到达角，fc是由散射体所引起的多普勒频率，c表示光速，λ表示波长。
上述的步骤四中，NLoS多簇散射情况下，发射端发出的信号从第p根发射天线经过ClusterT、虚拟散射以及ClusterR到达第q根接收天线的传输路径为：
其中：
τn1n2表示ClusterT到ClusterR的传输时延，
表示第p根发射天线到ClusterT的距离，
表示ClusterR到第q根接收天线的距离。
上述的步骤五中，假定最初的簇群为CT,1＝{cT,x:x＝1,2,...,N}和CR,1＝{cR,x:x＝1,2,...,N}，其中N表示初始簇群的数量，cT,x和cR,x是簇群Clusterx的表示；
随着在阵列轴上生死进程的演变，时间间隔t后的簇群分别为：
其中，
表示阵列或时间轴上的簇群演变，CT，p(t)和CR，p(t)分别是发射端和接收端每个天线基于阵列和时间轴上的生死进程所产生的簇群；
根据泊松分布，时间间隔t+Δt后所产生的簇群数量为：
其中，λG和λR分别表示簇群产生率和重组率，Psurvival(Δt)表示簇的生存率。
上述的步骤六中，所述不同传输路径间的空间互相关性函数为：
其中*表示复共轭运算，hpq(t)表示时间间隔t时发射端第p根天线与接收端第q根天线之间传输链路的复冲激响应，hp'q'(t+Δt)表示时间间隔t+Δt时发射端第p'根天线与接收端第q'根天线之间传输链路的复冲激响应。
上述的步骤七中，将步骤一-六推导得到的函数表达式代入matlab中,进行数值仿真与计算。
本发明具有以下有益效果：
本发明方法建立的用于隧道环境中5G V2V通信的通用3D非平稳宽带双簇信道模型，研究了5G V2V隧道Ricean衰落信道中移动发射机和移动接收机的不同移动方向和时刻的统计传播特性，可以准确地描述不同时刻下隧道通信场景下散射体分布以及车辆之间的通信场景。
为了研究聚类的非平稳性质，本发明同时引入了生灭算法来模拟阵列和时间轴上聚类的出现和消失；
本发明所提出的传播特性的数值结果非常好地拟合了仿真结果和先前的测量结果，这表明所提出的3D模型能够描述隧道环境中的真实5G V2V通信。
附图说明
图1为本发明提出的5G V2V隧道通信场景下的三维非平稳宽带双簇信道模型图；
图2为不同时刻以及不同k1和k2的三维非平稳宽带双簇信道模型空间CCF函数的分析；
图3为不同时刻以及不同k1和k2的三维非平稳宽带双簇信道模型时间自相关函数的分析；
图4为所构建的三维非平稳宽带双簇信道模型在不同时刻具有/不具有LoS分量的时间ACF的分析结果；
图5为不同时刻以及不同k1和k2的隧道信道模型的多普勒PSD分析结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，包括以下步骤：
步骤一：构建三维非平稳宽带双簇信道模型,给出多径传输的角度参数和模型参数，根据半圆形隧道的实际尺寸对隧道***进行几何建模；
参照图1，实施例中，采用半椭圆形隧道描述V2V信道中不同传输路径下的散射体分布，在LoS路径下，发射端(MT)发出的信号不经过任何散射体直接到达接收端(MR)，在NLoS路径下，发射端发出的信号通过多簇散射到达接收端。
首先定义ClusterT作为发射端第一次反弹的簇群，ClusterR作为接收端最后一次反弹的簇群，ClusterT和ClusterR之间的传输环境抽象为一个虚拟连接；
假定隧道横截面半径为R，隧道长为D，发射端和接收端分别配置MT和MR根均匀线性天线，天线之间间距分别为δT和δR；发射端和接收端天线相对于x正半轴的倾斜角分别为ψT和ψR，发射机和接收机的位置分别为(xT,yT,zT)和(xR,yR,zR)；
假设发射端存在N1个有效散射体，第n1(n1＝1,2,...,N1)个散射体定义为
接收端存在N2个有效散射体，第n2(n2＝1,2,...,N2)个散射体定义为
发射端和接收端的发射***置分别为
和
其中，
和
都是自由变量。
步骤二：通过隧道散射场景中的几何关系以及三角恒等式，利用发射机、接收机以及散射体的位置推导三维非平稳宽带双簇信道模型的矩阵表达式；
实施例中，所述三维非平稳宽带双簇信道模型的矩阵表达式为：
其中hpq(t,τ)表示发射端第p根天线与接收端第q根天线之间传输链路的复冲激响应，hpq(t,τ)为视距分量
和非视距分量
之和，t表示时间，τ表示时延。
步骤三：MT发出的信号经过直达路径(Line of Sight,LoS)和非直达路径(Non-LoS,NLoS)到达MR，LoS和NLoS传输路径下复冲激响应的函数表达式：
其中，K表示莱斯分布因子，
表示非视距分量的初始相位，ξpq表示视距传输路径的长度，
表示非视距传输路径的长度,参数vT和vR分别表示发射端和接收端的运动速度，γT和γR分别表示发射端和接收端在水平面上的运动方向与x轴的夹角；
和
表示视距分量的水平发射角(AAoD)和到达角(AAoA)，
和
表示视距分量的垂直发射角(EAoD)和到达角(EAoA)；
和
表示非视距分量的水平发射角(AAoD)和到达角(AAoA)，
和
表示非视距分量的垂直发射角(EAoD)和到达角(EAoA)，fc是由散射体所引起的多普勒频率，c表示光速，λ表示波长。
步骤四：由隧道***的几何建模结果得到在NLoS多簇散射情况下，发射端发出的信号到达接收端的路径长度；
实施例中，NLoS多簇散射情况下，发射端发出的信号从第p根发射天线经过ClusterT、虚拟散射以及ClusterR到达第q根接收天线的传输路径为：
其中：
步骤五：为了更好的表示隧道环境中散射体的运动状态引入生死算法，利用簇群在阵列和时间轴上的演变，推导在一定时间间隔后的簇群数量，以表示簇群在半椭圆隧道场景下的状态；
实施例中，由于MT和MR在V2V信道中处于运动状态，因此模型处于非平稳状态。为了更好的表示隧道环境中散射体的状态，引入生死算法来表示阵列和时间轴上簇的出现的消失。
假定最初的簇群为CT,1＝{cT,x:x＝1,2,...,N}和CR,1＝{cR,x:x＝1,2,...,N}，其中N表示初始簇群的数量，cT,x和cR,x是簇群Clusterx的表示；
随着在阵列轴上生死进程的演变，时间间隔t后的簇群分别为：
其中，
表示阵列或时间轴上的簇群演变，CT，p(t)和CR，p(t)分别是发射端和接收端每个天线基于阵列和时间轴上的生死进程所产生的簇群；
根据泊松分布，时间间隔t+Δt后所产生的簇群数量为：
其中，λG和λR分别表示簇群产生率和重组率，Psurvival(Δt)表示簇的生存率。
步骤六：利用传递函数和生死算法推导不同传输路径间的空间互相关性函数，以分析不同传输链路的空间互相关特性；
实施例中，所述不同传输路径间的空间互相关性函数为：
其中*表示复共轭运算，hpq(t)表示时间间隔t时发射端第p根天线与接收端第q根天线之间传输链路的复冲激响应，hp'q'(t+Δt)表示时间间隔t+Δt时发射端第p'根天线与接收端第q'根天线之间传输链路的复冲激响应。
步骤七：仿真验证构建的三维非平稳宽带双簇信道模型，即将步骤一-六推导得到的函数表达式代入matlab中,进行数值仿真与计算，结果参照图2-5。
图2为不同时刻以及不同k1和k2所构建的信道模型的空间CCF。该图显示，当MT和MR的移动时间从0s上升到10s时，空间相关性增加缓慢。参数k1和k2控制von Mises分布的宽度并影响AAoD/EAoD和AAoA/EAoA的值，信道模型的角度参数也会影响NLoS传播分量，这进一步影响统计传播特性的分布。而对于各向同性情况k1＝k2＝5时，当天线间隔为零时，空间相关的值为1；然而，对于情况k1＝k2＝0，空间相关的值不等于1，因为天线间隔为零。此外，模型的空间CCF的分析和模拟结果在不同的时刻相互匹配，这确保了上述模拟和推导的正确性。
图3为不同时刻t的不同k1和k2的时间ACF的分析和模拟结果。当移动时间t从0秒变化到10秒时，所提出的时间ACF呈现不同的行为，这类似于图2中的空间CCF的结果的分布。此外，当参数k1和k2从0变为5时，时间相关性缓慢增加。时间相关的分析结果很好地拟合了仿真结果，证明了上述分析的正确性。
图4为不同时刻具有/不具有LoS传播分量所提出的时间ACF的分析结果。可以看出，随着时间t从0增加到10秒，时间相关性增加。此外，当不考虑所提出的模型中的LoS分量时，时间相关性远低于Ricean信道中的时间相关性。
图5为不同时间段内针对不同k1和k2的所提出的多普勒PSD的分析结果。可以看出，多普勒频谱的分布曲线在时间t内逐渐变化，这是由MT和MR的运动引起的。当t的时间从0秒变为10秒时，多普勒PSD会略有增加。此外，当参数k1和k2从0变为5时，所构建的模型的多普勒PSD增加。
综上所述，本发明构建的三维非平稳宽带双簇信道模型采用半椭圆形隧道来描述宽带V2V信道中的散射体分布，因此,可以分析信号分别经过LoS和NLoS路径的信道特性。与现有技术相比,本发明建立散射体自由分布下的三维非平稳宽带V2V信道模型,提出采用半椭圆形隧道来描述V2V信道中不同传输路径下的散射体分布。本发明指出，在LoS路径下，MT发出的信号不经过任何散射体直接到达MR，而在NLoS路径下，MT发出的信号通过多簇散射到达MR。此外，本发明推导了不同传输路径间的空间互相关特性。结合上述观点,本发明弥补了过去研究的不足,为分析三维非平稳宽带双簇信道的传输特性提供了一种建模方法,能够有效地应用到5G V2V无线通信***的性能分析中。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建三维非平稳宽带双簇信道模型,给出多径传输的角度参数和模型参数，根据半圆形隧道的实际尺寸对隧道***进行几何建模；
步骤二：通过隧道散射场景中的几何关系以及三角恒等式，利用发射机、接收机以及散射体的位置推导三维非平稳宽带双簇信道模型的矩阵表达式；
步骤三：结合三维非平稳宽带双簇信道模型传递函数的表达式以及仰角和方位角分别推导LoS和NLoS传输路径下复冲激响应的函数表达式；
步骤四：由隧道***的几何建模结果得到在NLoS多簇散射情况下，发射端发出的信号到达接收端的路径长度；
步骤五：引入生死算法，利用簇群在阵列和时间轴上的演变，推导在一定时间间隔后的簇群数量，以表示簇群在半椭圆隧道场景下的状态；
步骤六：利用传递函数和生死算法推导不同传输路径间的空间互相关性函数，以分析不同传输链路的空间互相关特性；
步骤七：由三维非平稳宽带双簇信道模型的参数以及统计特性仿真验证构建的三维非平稳宽带双簇信道模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，所述步骤一构建的三维非平稳宽带双簇信道模型，采用半椭圆形隧道描述V2V信道中不同传输路径下的散射体分布，在LoS路径下，发射端发出的信号不经过任何散射体直接到达接收端，在NLoS路径下，发射端发出的信号通过多簇散射到达接收端。
3.根据权利要求2所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，所述步骤一中，首先定义ClusterT作为发射端第一次反弹的簇群，ClusterR作为接收端最后一次反弹的簇群，ClusterT和ClusterR之间的传输环境抽象为一个虚拟连接；
假定隧道横截面半径为R，隧道长为D，发射端和接收端分别配置MT和MR根均匀线性天线，天线之间间距分别为δT和δR；发射端和接收端天线相对于x正半轴的倾斜角分别为ψT和ψR，发射机和接收机的位置分别为(xT,yT,zT)和(xR,yR,zR)；
假设发射端存在N1个有效散射体，第n1(n1＝1,2,...,N1)个散射体定义为
接收端存在N2个有效散射体，第n2(n2＝1,2,...,N2)个散射体定义为
发射端和接收端的散射***置分别为
和
其中，
和
都是自由变量。
4.根据权利要求3所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，步骤二所述三维非平稳宽带双簇信道模型传递函数的矩阵表达式为：
其中hpq(t,τ)表示发射端第p根天线与接收端第q根天线之间传输链路的复冲激响应，hpq(t,τ)为视距分量
和非视距分量
之和，t表示时间，τ表示时延。
5.根据权利要求4所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，步骤三所述LoS和NLoS传输路径下复冲激响应的函数表达式为：
其中，K表示莱斯分布因子，
表示非视距分量的初始相位，ξpq表示视距传输路径的长度，
表示非视距传输路径的长度,参数vT和vR分别表示发射端和接收端的运动速度，γT和γR分别表示发射端和接收端在水平面上的运动方向与x轴的夹角；
和
表示视距分量的水平发射角和到达角，
和
表示视距分量的垂直发射角和到达角；
和
表示非视距分量的水平发射角和到达角，
和
表示非视距分量的垂直发射角和到达角，fc是由散射体所引起的多普勒频率，c表示光速，λ表示波长。
6.根据权利要求5所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，步骤四中，NLoS多簇散射情况下，发射端发出的信号从第p根发射天线经过ClusterT、虚拟散射以及ClusterR到达第q根接收天线的传输路径为：
其中：
7.根据权利要求6所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，所述步骤五中，假定最初的簇群为CT,1＝{cT,x:x＝1,2,...,N}和CR,1＝{cR,x:x＝1,2,...,N}，其中N表示初始簇群的数量，cT,x和cR,x是簇群Clusterx的表示；
随着在阵列轴上生死进程的演变，时间间隔t后的簇群分别为：
其中，
表示阵列或时间轴上的簇群演变，CT,p(t)和CR,q(t)分别是发射端和接收端每个天线基于阵列和时间轴上的生死进程所产生的簇群；
根据泊松分布，时间间隔t+Δt后所产生的簇群数量为：
其中，λG和λR分别表示簇群产生率和重组率，Psurvival(Δt)表示簇的生存率。
8.根据权利要求7所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，步骤六所述不同传输路径间的空间互相关性函数为：
其中*表示复共轭运算，hpq(t)表示时间间隔t时发射端第p根天线与接收端第q根天线之间传输链路的复冲激响应，hp'q'(t+Δt)表示时间间隔t+Δt时发射端第p'根天线与接收端第q'根天线之间传输链路的复冲激响应。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于隧道环境的三维非平稳宽带双簇信道建模方法，其特征在于，步骤七中，将步骤一-六推导得到的函数表达式代入matlab中,进行数值仿真与计算。
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