[發明專利]一種高速飛行器中繼雙極化MIMO信道建模方法

有效

• 申請號: 201710527448.2
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107302387B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 石磊;呂躍廣;楊惠婷;劉彥明;李小平;白博文;楊敏
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B17/391
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪;肖志娟

1.一種高速飛行器中繼雙極化MIMO信道建模方法，其特征在于，所述高速飛行器中繼雙極化MIMO信道建模方法包括以下步驟：

步驟一，利用等離子體鞘套馬爾科夫狀態轉移模型確定Loo信道參數；

步驟二，利用Loo模型建立每條等離子體鞘套下的中繼衛星子信道的大尺度衰落模型和小尺度衰落模型，子信道經過雙極化MIMO模型來產生極化相關性；

步驟三，聯合每條子信道的大尺度衰落和小尺度衰落部分得到等離子體鞘套下的極化MIMO信道模型；

所述高速飛行器中繼雙極化MIMO信道建模方法具體包括以下步驟：

第一步，根據陸地移動衛星馬爾科夫信道狀態轉移矩陣P，獲取馬爾科夫信道模型的轉態序列；根據陸地移動衛星信道測試結果確定狀態序列對應的Loo模型信道參數；

第二步，根據高速飛行器等離子體鞘套電子密度和碰撞頻率，計算獲取左旋圓極化等離子體環境極化耦合度參數XPC_env,L和右旋圓極化等離子體環境極化耦合度參數和XPC_env,R；

第三步，利用Loo模型信道參數和參數XPC_env,L、XPC_env,R，實現大尺度信道模型模擬；

第四步，利用信道參數和步驟S2的參數XPC_env,L、XPC_env,R，實現小尺度信道模型模擬；

第五步，聯合大尺度衰落分量和小尺度衰落分量得到等離子體鞘套下的極化MIMO信道模型；

所述第一步具體包括：

(1)輸入等離子體鞘套馬爾科夫狀態轉移矩陣P，狀態轉移矩陣P中元素P(i,j)表示從狀態i跳轉到狀態j的概率，0≤P(i,j)≤1且n表示該模型模擬n個狀態；

(2)輸入狀態幀L_Frame，L_Frame表示為某個狀態持續的最小距離；給定當前狀態S_t，每L_Frame米生成下一狀態S_t+1

第一步，產生一個(0，1)均勻分布隨機數U，并設置k＝1；

第二步，測試條件如果滿足測試條件，則下一狀態S_t+1＝k；如果不滿足測試條件，則k＝k+1并重復第二步，直到滿足條件為止；

(3)飛行器沿其路徑移動，每L_Frame米做一次判斷終端所處的狀態，并查找相應的狀態下Loo模型參數Loo(α,ψ,MP)；α，ψ和MP以dB形式表示，其中α，ψ分別表示大尺度衰落的幅度的均值和方差，MP表示的是小尺度衰落的幅度的平均能量；

所述第二步具體包括：

1)根據高速飛行器電子密度和碰撞頻率，對于飛行器天線窗口處的等離子體鞘套，其電子密度分布曲線采用雙高斯模型來擬合近似：

其中，a₁和a₂分別表示電子密度分布曲線的上升和下降系數，Ne_peak和z₀分別表示電子密度最大值和距離飛行器表面的距離；

2)根據等效波阻抗法計算圓極化波斜入射等離子體后的透射波：

其中，和分別表示平行極化和垂直極化單位方向矢量；和分別為入射波分解成的平行極化分量和垂直極化分量，和分別為透射波分解成的平行極化分量和垂直極化分量；和分別為平行極化波和垂直極化波的透射系數；

3)根據圓極化波入射等離子體后的透射波分解為右旋圓的透射波和左旋圓的透射波

其中，E₀為歸一化場強，和分別為右旋波入射后透射波中共極化和交叉極化波的透射系數，和分別為左旋波入射后透射波中共極化和交叉極化波的透射系數；

4)將左/右旋波入射后透射波中共極化和交叉極化波的透射系數帶入下式，獲取參數XPC_env,L和XPC_env,R：

所述第三步具體包括：

步驟一，對于每個狀態，產生2×2統計獨立的均值為0，方差為1的高斯隨機序列樣本矩陣樣本的采樣間隔為T；之后樣本矩陣每個元素經過低通IIR濾波器來實現信號的時間相關性，得到具有時間相關性的2×2矩陣

步驟二，輸入大尺度衰落分量的相關矩陣并將帶入下式，利用相關矩陣產生MIMO子信道間的極化相關性，得到極化相關的2×2信道矩陣

vec()表示取列向量操作；

步驟三，根據大尺度衰落的幅度服從對數正態分布，輸入Loo模型信道參數α和ψ，并將帶入下式，產生極化相關的對數正態分布的信道特性矩陣

步驟四，根據極化對信道序列功率的影響，輸入位于高速飛行器的極化天線極化鑒別度XPD_ant,r，利用下式調整大尺度衰落矩陣

其中β_ant是XPD_ant,r的因子，

所述第四步具體包括：

1)對于每個狀態，產生2×2統計獨立的均值為0，方差為1的復高斯隨機序列樣本矩陣

2)為了引入多普勒頻移效應，將2×2復高斯隨機序列矩陣每個元素通過巴特沃斯濾波器來實現，產生具有多普勒效應的復高斯隨機序列矩陣巴特沃斯濾波器表示為：

其中，A＝exp(-vT/r_c)，v是飛行器的飛行速度，T是樣本采用間隔，r_c為相干距離，f_c為k階濾波器的截止頻率；

3)根據小尺度衰落的幅度服從瑞利分布，為了產生2×2的復瑞利序列，輸入Loo模型信道參數MP，并將復高斯序列矩陣每個元素乘以來產生瑞利2×2矩陣其中

4)輸入小尺度衰落分量的相關矩陣并將帶入下式，利用相關矩陣產生MIMO子信道間的極化相關性，得到極化相關的信道特性2×2矩陣

其中，表示的是Kronecker積，上標T表示矩陣轉置，和分別表示發送端和接收端的2×2協方差矩陣；

其中，和分別表示發射終端的左旋圓極化和右旋圓極化的交叉相關性；和分別表示接收端的左旋圓極化和右旋圓極化的交叉相關性；

5)根據極化對信道序列功率的影響，輸入環境耦合度XPC_env,L、XPC_env,R和位于高速飛行器的極化天線極化鑒別度XPD_ant,r，利用下式調整大尺度衰落矩陣

其中和

2.一種使用權利要求1所述高速飛行器中繼雙極化MIMO信道建模方法的高速飛行器。