[發(fā)明專利]基于散射特征的高鐵無線信道多普勒功率譜的計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610104618.1
• 申請(qǐng)日: 2016-02-25
• 公開（公告）號(hào): CN105610523B
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳鑫;方勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B17/30
• 分類號(hào): H04B17/30;H04B17/373;H04B17/391
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

1.一種基于散射特征的高鐵無線信道多普勒功率譜的計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟101：將高鐵散射場(chǎng)景中的無線信道分為甚弱散射場(chǎng)、弱散射場(chǎng)、強(qiáng)散射場(chǎng)和甚強(qiáng)散射場(chǎng)；為了將散射場(chǎng)景進(jìn)行分類及量化表示，定義了散射因子用以區(qū)分不同散射場(chǎng)景，其中，P_LOS和P_N-LOS分別表示接收端信號(hào)中所包含來自直射徑和散射徑功率大小，隨著散射因子逐漸增大，接收信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的散射分量越豐富；散射因子定義式為：

按照散射因子的大小，將散射場(chǎng)景進(jìn)行分類，分別為甚弱散射場(chǎng)、弱散射場(chǎng)、強(qiáng)散射場(chǎng)和甚強(qiáng)散射場(chǎng)；

步驟102：根據(jù)步驟101高鐵散射場(chǎng)景類型，按照下表確定接收端信號(hào)中所含直射徑數(shù)m和散射徑數(shù)n：

所述的散射子信道，包括直射信道和散射信道均為抽頭延遲線模型，用取整法將抽頭調(diào)整到最近的采樣時(shí)刻，能夠保證路徑數(shù)和每一徑的功率不變，用四舍五入的抽頭調(diào)整方法統(tǒng)計(jì)出所有散射子信道的可分辨的直射徑數(shù)m和散射徑數(shù)n，并且每根抽頭延遲線包括每徑相對(duì)時(shí)延信息、平均功率、多普勒信息及空間域信息；

步驟103：根據(jù)步驟102中實(shí)際場(chǎng)景中發(fā)射端或接收端的周圍分布散射體的幾何尺寸，材質(zhì)及其他物理屬性，依據(jù)步驟102中的散射徑數(shù)n，確定各散射子信道所對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)；

步驟104：基于步驟101的散射場(chǎng)景和對(duì)應(yīng)的高鐵無線信道特征，步驟102中接收信號(hào)中所含直射徑數(shù)m和散射徑數(shù)n，步驟103計(jì)算的散射子信道的散射系數(shù)，按照多普勒擴(kuò)展定義式計(jì)算高鐵移動(dòng)端的多普勒功率譜，具體步驟為：

基于上面步驟中所含高鐵散射場(chǎng)景類型、接收信號(hào)中直射徑數(shù)和散射徑數(shù)、散射子信道的散射系數(shù)信息計(jì)算出信道系數(shù)，按照多普勒擴(kuò)展定義式計(jì)算高鐵移動(dòng)端的多普勒功率譜，根據(jù)高鐵移動(dòng)端的多普勒功率譜的表達(dá)式，基站的位置相對(duì)固定，這里推導(dǎo)出三維空間模型中高鐵移動(dòng)端的多普勒功率譜表達(dá)式；該空間三維幾何模型分別考慮到視距傳輸以及散射傳輸；基站天線高度為h，散射體S的高度為在水平面天線與移動(dòng)臺(tái)距離為d，天線與水平面夾角為天線高度角θ，將X-Y面作為方位角平面，基站和移動(dòng)臺(tái)方向所成夾角β為方位角，則直射徑到達(dá)角α和方位角β、天線高度角θ的關(guān)系為：

cosα＝cosβ·cosθ

而經(jīng)過散射體S到達(dá)移動(dòng)端的散射徑傳輸，其散射體在X-Y面的投影與移動(dòng)臺(tái)的方位角為η，散射體與X-Y面的夾角為ψ，則散射徑到達(dá)角與方位角η、高度角ψ的關(guān)系為：

設(shè)移動(dòng)端相對(duì)于基站和散射體的速度為v_r，則相對(duì)于基站、散射體的多普勒頻移分別為：

其中f_c為載波頻率，c為光速；基站端發(fā)送信號(hào)經(jīng)過直射和散射兩種不同路徑到達(dá)移動(dòng)端，定義其最大的多普勒頻移為則多普勒頻移f_db，f_ds均分布在(-f_m,f_m)內(nèi)；

考慮到實(shí)際情況，高鐵接收到的信號(hào)包括m條直射徑和n條散射徑，則移動(dòng)端接收信號(hào)y(t)表示為如下形式：

其中x(t)為基站發(fā)送信號(hào)，分別為第i條直射徑和第j條散射徑的復(fù)增益因子，f_db,i(t)，f_ds,j(t)分別為第i條直射徑和第j條散射徑的多普勒頻移，σ_pq,j為第j條散射徑的散射系數(shù)；

接收信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為：

其中令p(α)，分別為直射徑到達(dá)角α和散射徑到達(dá)角的分布；將cosα,表達(dá)式分別代入上式，即得到該三維幾何模型的接收信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式：

R(τ)＝E_a∫_β∫_θexp(j2πf_mcosθcosβτ)p(θ)p(β)dθdβ+E_b∫_η∫_ψexp(j2πf_mcosψcosητ)_p(ψ)p(η)dψdη

對(duì)上式自相關(guān)函數(shù)R(τ)做傅里葉變換，即：

得到接收信號(hào)y(t)的多普勒功率譜S(f)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散射特征的高鐵無線信道多普勒功率譜的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟103具體為：統(tǒng)計(jì)出實(shí)際散射場(chǎng)景中發(fā)射端和接收端附近分布散射體的物理屬性，確定各散射子信道所對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)；散射系數(shù)的定義為該方向上產(chǎn)生相同散射功率密度的各同向性等效散射體的總散射功率與照射面積的總?cè)肷涔β实谋戎担鋽?shù)學(xué)表示式為：

其中，R為照射面中心到觀察點(diǎn)之間的距離，P_pq為散射功率，E為散射波的電場(chǎng)，A₀為照明面積；單次散射的散射系數(shù)為：

其中，δ為散射體粗糙表面均方根高度，k_ij為散射波極化系數(shù)，k₁為空間波數(shù)，f_pq,F_pq分別對(duì)應(yīng)于Kirchhoff項(xiàng)及其補(bǔ)充項(xiàng)，W⁽ⁿ⁾(α,β)為n階散射體表面相關(guān)函數(shù)的粗糙譜，其表達(dá)式為：