CN111181673B - 一种基于双移动场景的3d无线信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法，属于通信技术领域。在簇时延生成过程中，散射体簇变化满足空间和时间上二维的非平稳特性，空间上即在同一时间上，相邻天线单元间的簇生灭变化，时间上即在相同天线单元上，移动过程随时间簇生灭变化，通过二维矢量叠加转化为一维的非平稳特性，继而使用马尔可夫链建模，更为精确地计算出簇时延变化。该方法具体研究了双移动场景3D无线信道模型的建模方法，采用马尔科夫生灭可夫链方法和平滑插值滤波方法，计算链路簇时延和簇功率，并考虑了天线场、簇离开到达角、多普勒等，建立了较为贴近双移动场景下的信道模型。

Description

一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法。

背景技术

随着无线移动通信技术的发展，大量新兴场景，如车联网，工业互联网场景，应急无人机通信场景，现有的信道模型不能很好的支持这些场景，尤其是在双移动场景下，双移动场景下基站处于移动状态，用户处于移动状态。在现有的信道模型中，WINNER II模型是目前较为普遍使用的一种3D信道模型，该模型对于十二种传播场景都进行了大量实验，得到了这些场景的信道参数分布，但该模型在双移动场景下存在着一定的局限性，首先不能支持基站移动，其次不支持高频段，并且不能很好的模拟散射体簇生灭变化，难以准确计算簇时延，多普勒频谱的衰落分布等情形。其他研究者改进的信道模型是在WINNER II基础上进行改进的，但只考虑过于片面，要么是时间上的散射体簇生灭变化，要么是空间上静态天线单元之间的散射体簇生灭变化。而且在簇生灭过程中未考虑簇功率在真实环境中并不是随着簇消失而马上消失，而是平滑变小，并未消亡。也不是随着簇新生其功率马上到达平稳，而是平滑变大最终达到平稳。并且，移动的用户与移动的基站叠加的多普勒影响会更为严重，但这些研究未提出具有普适使用的信道模型，大部分模型未将这些考虑，仍使用以往的信道模型，因此建模结果与实际结果误差较大。

综上，对于现有的信道建模方法，在双移动场景中未能体现明显，并且以往的建模方法较为复杂，建模结果与实际结果相比误差较大，这就需要本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法，该方法包括以下步骤：

S1：开始；

S2：假设在三维全局坐标下且为非视距，分别配置gNB和UE的天线相对位置，天线场模式F_tx和F_rx，天线是线性均匀分布的，天线数量，天线高度，天线阵列仰角和方位角(φ_R,θ_R)、(φ_T,θ_T)，峰值角、下倾角、倾斜角(α_gNB,β_gNB,γ_gNB)和(α_UE,β_UE,γ_UE)，以及移动速度V_gNB与V_UE和移动方向仰角和方位角(φ_vgNB,θ_vgNB)、(φ_vuE,θ_vuE),***中心频率f_c；

S3：生成大尺度参数；

S4：计算t时刻第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体的时延为

S5：根据时延计算簇功率

S6：根据簇功率计算簇到达方位角

簇离开方位角

簇到达仰角

簇离开仰角

S7：衍生初始随机角

S8：计算发送端与接收端天线场F_tx,i,θ(θ_n,ZOD,φ_n,AOD)、F_tx,i,φ(θ_n,ZOD,φ_n,AOD)、F_rx,j,θ(θ_n,ZOA,φ_n,AOA)、F_rx,j,φ(θ_n,ZOA,φ_n,AOA)；

S9：计算冲击响应

S10：计算信道系数H_ij(t,τ)；

S11：结束。

可选的，所述S3包括：

生成时延扩展DS，角度扩展ASA，ASD，ZSA，ZSD，Ricean K因子K和阴影衰落SF，根据链路相关和互相关，使用Cholesky分解和生成大尺度参数向量的以下顺序平方根矩阵

S_M＝[S_SF,S_K,S_DS,S_ASD,S_ASA,S_ZSD,S_ZSA]^T。

可选的，所述S4包括：

在同一时刻，发送端与接收端天线信号覆盖范围一定，相邻两个天线单元之间的覆盖的散射体簇有新生有消亡；在同一天线单元上，随着gNB和UE的移动，线性天线阵列在空间上作平移，上一时刻的散射体簇在下一时刻有新生有消亡，需同时考虑空间上的非平稳特性和时域上的非平稳特性，将二维非平稳过程进行矢量叠加转化为新的一维非平稳过程，满足马尔可夫链生灭过程，采用马尔可夫链模型获取链路时延尺度分布因子

Xn服从Xn～N(0，1)均匀分布。

可选的，所述S5包括：

根据S4生成的时延

计算簇功率：

其中Z_n～N(0,ζ²)是大尺度阴影衰落，ζ是阴影衰落标准差；

第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体功率补偿值，在簇生灭的过程中，不能简单理解为随着簇的消亡，功率随之消亡，功率消亡变化是平滑变化的，采用平滑插值滤波的手段对相邻簇之间进行功率插值，插值的间隔和选取的功率值需从真实环境中大量试验验证。

可选的，所述S6包括：

根据S5计算

这里C_φ、C_θ为簇总数相关的尺度因子，Xn服从Xn～N(0，1)，Y_n～N(0,(ASA/7)²),ASA、ZSA、ASD、ZSD均为AOA、ZOA、AOD、ZOD角度扩展因子。

可选的，所述S8包括：

第i根发送天线场方位角场和仰角场

第j根接收天线场方位角场和仰角场

接收端与发送端皆由以下公式计算各天线场：

A′(θ′,φ′)＝A″(θ″,φ″)

A″_dB(θ″,φ″)＝-min{-(A″_dB(θ″,φ″＝0°)+A″_dB(θ″＝90°,φ″)),A_max}

withθ_3dB＝65°,SLA_V＝30dB andθ″∈[0°,180°]

这里φ_3dB＝65°,A_max＝30dB andφ″∈[-180°,180°]

F_θ(θ,φ)＝F′_θ'(θ',φ')cosψ-F′_φ'(θ',φ')sinψ

可选的，所述S9包括：

根据S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8计算，建立信道模型获得发射端与接收端第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体的冲击响应

其中

其中

其中

其中

此处为矢量叠加

其中λ₀为波长,

为第j根接收天线的相对位置，

为第i根发送天线的相对位置。

可选的，所述S10包括：

根据S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，S9建立信道模型获得发射端与接收端第i根发送天线到第j根接收天线信道系数

本发明的有益效果在于：解决现有的技术中在双移动场景下时空变化下的散射体簇生灭变化和簇功率在簇生灭过程中的功率补偿问题。

本发明的其他优点、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。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

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优选的详细描述，其中：

图1为基于双移动场景的3D无线信道建模流程；

图2为基于双移动场景的3D无线信道建模中散射体变化图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的双移动场景的3D无线信道建模流程：

步骤一：开始；

步骤二：假设在三维全局坐标下且为非视距，分别配置gNB和UE的天线相对位置，天线场模式F_tx和F_rx，天线是线性均匀分布的，天线数量，天线高度，天线阵列仰角和方位角(φ_R,θ_R)、(φ_T,θ_T)，峰值角、下倾角、倾斜角(α_gNB,β_gNB,γ_gNB)和(α_UE,β_UE,γ_UE)，以及移动速度V_gNB与V_UE和移动方向仰角和方位角(φ_vgNB,θ_vgNB)、(φ_vuE,θ_vuE),***中心频率f_c；

步骤三：生成时延扩展(DS)，角度扩展(ASA，ASD，ZSA，ZSD)，Ricean K因子(K)和阴影衰落(SF)，根据链路相关和互相关，使用Cholesky分解和生成大尺度参数向量的以下顺序平方根矩阵

S_M＝[S_SF,S_K,S_DS,S_ASD,S_ASA,S_ZSD,S_ZSA]^T；

步骤四：在同一时刻，发送端与接收端天线信号覆盖范围一定，相邻两个天线单元之间的覆盖的散射体簇有新生有消亡；在同一天线单元上，随着gNB和UE的移动，线性天线阵列在空间上作平移，上一时刻的散射体簇在下一时刻有新生有消亡，所以该过程需同时考虑空间上的非平稳特性和时域上的非平稳特性，将二维非平稳过程进行矢量叠加转化为新的一维非平稳过程，该过程满足马尔可夫链生灭过程，故可采用马尔可夫链模型获取链路时延尺度分布因子

Xn服从Xn～N(0，1)均匀分布；

步骤五：计算第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体功率补偿并生成对应簇功率，

其中Z_n～N(0,ζ²)是大尺度阴影衰落，ζ是阴影衰落标准差；

第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体功率补偿，在簇生灭的过程中，不能简单理解为随着簇的消亡，功率随之消亡，功率消亡变化是平滑变化的，可以采用平滑插值滤波的手段对相邻簇之间进行功率插值，插值的间隔和选取的功率值需从真实环境中大量试验验证。

步骤六：计算以下簇到达角与簇离开角：

这里C_φ、C_θ为簇总数相关的尺度因子，Xn服从Xn～N(0，1),Yn～N(0,(ASA/7)²),ASA、ZSA、ASD、ZSD均为AOA、ZOA、AOD、ZOD角度扩展因子。

步骤七：计算第i根发送天线场方位角场和仰角场

第j根接收天线场方位角场和仰角场

接收端与发送端皆可由以下公式计算该各天线场：

A′(θ′,φ′)＝A″(θ″,φ″)

A″_dB(θ″,φ″)＝-min{-(A″_dB(θ″,φ″＝0°)+A″_dB(θ″＝90°,φ″)),A_max}

withθ_3dB＝65°,SLA_V＝30dB andθ″∈[0°,180°]

这里φ_3dB＝65°,A_max＝30dB andφ″∈[-180°,180°]

F_θ(θ,φ)＝F′_θ'(θ',φ')cosψ-F′_φ'(θ',φ')sinψ

步骤八：建立信道模型获得发射端与接收端第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体的冲击响应：

其中

其中

其中

其中

此处为矢量叠加

其中λ₀为波长,

为第j根接收天线的相对位置，

为第i根发送天线的相对位置。

步骤九：计算发射端与接收端第i根发送天线到第j根接收天线信道系数

步骤十：结束；

请参阅图2，基于双移动场景的3D无线信道建模中散射体变化图，具体如下：

该图是在步骤四上进行的补充，从该图中可以看出散射体簇在时空上的变化，空间上即在同一时间上相邻天线单元间的簇生灭变化，时间上即在相同天线单元上移动过程中随时间簇生灭变化。

综上所述，本申请实施例提供的一种新型基于双移动场景的3D无线信道建模方法，其旨在解决现有的信道模型中存在的技术问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：开始；

S2：假设在三维全局坐标下且为非视距，分别配置gNB和UE的天线相对位置，天线场模式F_tx和F_rx，天线是线性均匀分布的，天线数量，天线高度，天线阵列仰角和方位角(φ_R,θ_R)、(φ_T,θ_T)，峰值角、下倾角、倾斜角(α_gNB,β_gNB,γ_gNB)和(α_UE,β_UE,γ_UE)，以及移动速度V_gNB与V_UE和移动方向仰角和方位角(φ_vgNB,θ_vgNB)、(φ_vuE,θ_vuE)，***中心频率f_c；

S3：生成大尺度参数；

S4：计算t时刻第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体的时延为

S5：根据时延计算簇功率

S6：根据簇功率计算簇到达方位角

簇离开方位角

簇到达仰角

簇离开仰角

S7：生成初始随机角

S8：计算第i根发送天线场方位角场F_tx,i,θ(θ_n,ZOD,φ_n,AOD)和仰角场

第j根接收天线场方位角场F_tx,j,θ(θ_n,ZOA,φ_n,AOA)和仰角场

S9：计算冲击响应H_n ^ij(t)；

S10：计算信道系数H_ij(t,τ)；

S11：结束；

所述S4包括：

在同一时刻，发送端与接收端天线信号覆盖范围一定，相邻两个天线单元之间的覆盖的散射体簇有新生有消亡；在同一天线单元上，随着gNB和UE的移动，线性天线阵列在空间上作平移，上一时刻的散射体簇在下一时刻有新生有消亡，需同时考虑空间上的非平稳特性和时域上的非平稳特性，将二维非平稳过程进行矢量叠加转化为新的一维非平稳过程，满足马尔可夫链生灭过程，采用马尔可夫链模型获取时延

Xn服从Xn～N(0，1)标准正态分布；

所述S5包括：

根据S4生成的时延

计算簇功率：

其中Z_n～N(0,ζ²)是大尺度阴影衰落，ζ是阴影衰落标准差；

是第i根发送天线到第j根接收天线经过第n个散射体功率补偿值，在簇生灭的过程中，不能简单理解为随着簇的消亡，功率随之消亡，功率消亡变化是平滑变化的，采用平滑插值滤波的手段对相邻簇之间进行功率插值，插值的间隔和选取的功率值需从真实环境中大量试验验证；

所述S9包括：

根据S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8计算，建立信道模型获得发射端第i根发送天线到接收端第j根接收天线经过第n个散射体的冲击响应

其中

其中

其中

其中

此处为矢量叠加；

其中λ₀为波长,

为第j根接收天线的相对位置，

为第i根发送天线的相对位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法，其特征在于：所述S3包括：

生成时延扩展DS，AOA角度扩展因子ASA，AOD角度扩展因子ASD，ZOA角度扩展因子ZSA，ZOD角度扩展因子ZSD，Ricean K因子K和阴影衰落SF，根据链路相关和互相关，使用Cholesky分解和生成大尺度参数向量的以下顺序平方根矩阵S_M＝[S_SF,S_K,S_DS,S_ASD,S_ASA,S_ZSD,S_ZSA]^T。

3.根据权利要求1所述的一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法，其特征在于：所述S6包括：

根据S5计算

这里C_φ、C_θ为簇总数相关的尺度因子，Xn服从Xn～N(0，1)，Y_n～N(0,(ASA/7)²)，ASA、ZSA、ASD、ZSD均为AOA、ZOA、AOD、ZOD角度扩展因子。

4.根据权利要求1所述的一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法，其特征在于：所述S8包括：

第i根发送天线场方位角场和仰角场

第j根接收天线场方位角场和仰角场

接收端与发送端皆由以下公式计算各天线场：

A′(θ′,φ′)＝A″_db(θ″,φ″)

A″_dB(θ″,φ″)＝-min{-(A″_dB(θ″,φ″＝0°)+A″_dB(θ″＝90°,φ″)),A_max}

这里 θ_3dB＝65°,SLA_V＝30dB andθ″∈[0°,180°]

这里φ_3dB＝65°,A_max＝30dB andφ″∈[-180°,180°]

F_θ(θ,φ)＝F′_θ'(θ′,φ′)cosψ-F′_φ'(θ′,φ′)sinψ

5.根据权利要求1所述的一种基于双移动场景的3D无线信道建模方法，其特征在于：所述S10包括：

根据S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，S9建立信道模型获得发射端第i根发送天线到接收端第j根接收天线信道系数

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