[發明專利]一種隧道場景車對車MIMO無線信道容量估計方法

有效

• 申請號: 202110511358.0
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN113225711B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 袁莉芬;張鶴鳴;劉韜;何怡剛
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04W4/46;H04B7/0413
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 吳娜

1.一種隧道場景車對車MIMO無線信道容量估計方法，其特征在于：該方法包括下列順序的步驟：

(1)根據無線信號發送車輛、無線信號接收車輛、散射體之間的位置以及車身高度，建立隧道場景下含有無線信號水平地面反射路徑的車對車無線信道幾何模型；

(2)計算所述車對車無線信道幾何模型中的角度、信號反射路徑長度和多普勒頻移；

(3)生成隧道場景下含有無線信號水平地面反射路徑的車對車無線信道仿真模型，計算隧道場景車對車無線信道容量；

所述步驟(2)具體包括以下步驟：

(2a)計算車對車無線信道幾何模型中的角度，所述角度包括SB₁單跳反射路徑的水平離開角和水平到達角SB₂單跳反射路徑的水平離開角和水平到達角SB₃單跳反射路徑的水平離開角和水平到達角SB_G單跳反射路徑的水平離開角和水平到達角SB₃單跳反射路徑的離開俯仰角和到達俯仰角SB_G單跳反射路徑的離開俯仰角和到達俯仰角

對于水平到達角和水平離開角采用修正的等面積修補法進行計算，其具體方法為：

式中，分別為所對應的連續變量，分別為連續變量的均值，在隧道場景下將參數設置為I₀(.)為第一類零階貝塞爾函數；和分別為控制連續變量向相應的均值處集中程度的參數，在車對車無線信道幾何模型中設置和的值越大，則向相應的均值處的集中程度越高；

對于到達俯仰角其計算公式為：

式中，β_m代表到達俯仰角的最大值；

對于水平離開角水平到達角和離開俯仰角其計算公式為：

式中，為靜態散射體到信號發送車輛天線中心的距離，為靜態散射體到信號接收車輛天線中心的距離，其計算公式為：

對于SB_G單跳反射路徑的水平離開角離開俯仰角和到達俯仰角先計算第n_G個地面有效散射體的所在地面散射半徑其計算公式為：

對于水平離開角離開俯仰角和到達俯仰角其計算公式為：

(2b)計算車對車無線信道幾何模型中的信號反射路徑長度，所述信號反射路徑包括直視路徑、SB₁單跳反射路徑、SB₂單跳反射路徑、SB₃單跳反射路徑、雙跳反射路徑和SB_G單跳反射路徑；

對于直視路徑長度：

ε_pq＝D-k_pδ_Tcosθ_T+k_qδ_Rcosθ_R

式中：M_T和M_R分別為MIMO通信系統的無線信號發送車輛和無線信號接收車輛上的全向天線數，p和q為無線信號發送車輛和無線信號接收車輛的第p根和第q根天線，θ_T和θ_R為無線信號接收車輛和無線信號發送車輛天線陣列水平傾角；

對于SB₁單跳反射路徑長度：

式中：R_T和R_R分別為圍繞無線信號發送車輛和無線信號接收車輛的圓環半徑，為移動散射體到無線信號接收車輛天線中心的距離：

對于SB₂單跳反射路徑長度：

式中：為移動散射體到無線信號發送車輛天線中心的距離：

對于SB₃單跳反射路徑長度：

式中，為靜態散射體到無線信號接收車輛天線中心的距離：為靜態散射體到無線信號發送車輛天線中心的距離：

對于雙跳反射路徑長度：

對于SB_G單跳反射路徑長度：

式中，分別表示無線信號發送車輛第p根天線在x、y、z坐標軸上的位置坐標，分別表示無線信號接收車輛第q根天線在x、y、z坐標軸上的位置坐標：表示地面散射體在x、y、z坐標軸上的位置坐標：

(2c)計算車對車無線信道幾何模型中的多普勒頻移，多普勒頻移包括無線信號接收車輛和無線信號發送車輛和移動散射體運動引起的直視路徑上的多普勒頻移f_LOS、SB₁單跳反射路徑上的多普勒頻移f_SB1、SB₂單跳反射路徑上的多普勒頻移f_SB2、SB₃單跳反射路徑上的多普勒頻移f_SB3、SB_G單跳反射路徑上的多普勒頻移f_SBG和雙跳反射路徑上的多普勒頻移f_DB；

直視路徑上的多普勒頻移f_LOS的計算公式如下：

式中：V_T和γ_T分別為無線信號發送車輛的速度大小和方向，V_R和γ_R分別為無線信號接收車輛的速度大小和方向；f_Tm＝V_Tf_c/c、f_Rm＝V_Rf_c/c分別為無線信號發送車輛和無線信號接收車輛運動引起的最大多普勒頻移，f_c為載波頻率，為直視路徑的水平離開角和水平到達角，c為光速，其值為3×10⁸；

SB₁單跳反射路徑、SB₂單跳反射路徑上的多普勒頻移f_SB1、f_SB2的計算公式如下：

式中：f_s1＝V_s1f_c/c、f_s2＝V_s2f_c/c分別為無線信號接收車輛周圍的散射體運動引起的多普勒頻移，V_s1、V_s2為圍繞無線信號發送車輛移動散射體和圍繞無線信號接收車輛移動散射體的運動速度；

SB₃單跳反射路徑、SB_G單跳反射路徑上的多普勒頻移f_SB3、f_SBG的計算公式如下：

雙跳反射路徑上的多普勒頻移f_DB的計算公式如下：

所述步驟(1)中隧道場景下含有無線信號水平地面反射路徑的車對車無線信道幾何模型由兩個2D圓環、一個3D半橢球體和一個3D橢圓柱構成，其中兩個2D圓環的圓心分別代表無線信號發送車輛和無線信號接收車輛，無線信號發送車輛和無線信號接收車輛上分別配備有M_T根和M_R根全向天線，且全向天線呈均勻線性陣列分布，無線信號發送車輛上的任意兩根相鄰全向天線的間距為δ_T，無線信號接收車輛上的任意兩根相鄰全向天線的間距為δ_R，兩個2D圓環的圓心間的距離為D；所述兩個2D圓環是指一號圓環和二號圓環，所述一號圓環為圍繞在無線信號發送車輛周圍的移動散射體，共有N₁個移動散射體分布在一號圓環上，第n₁個移動散射體表示為二號圓環為圍繞在無線信號接收車輛周圍的移動散射體，共有N₂個移動散射體分布在二號圓環上，第n₂個移動散射體表示為一號圓環的半徑為R_T，二號圓環的半徑為R_R，且滿足D＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D半橢球體代表圍繞無線信號發送車輛和無線信號接收車輛的隧道上部彎曲墻壁，共有N₃個靜態散射體分布在半橢球體上，第n₃個靜態散射體表示為無線信號發送車輛和無線信號接收車輛分別位于3D半橢球體底面橢圓的兩個焦點上，即兩個2D圓環的圓心分別與3D半橢球體底面橢圓的兩個焦點重合，3D半橢球體底面橢圓的焦距即無線信號發送車輛和無線信號接收車輛間的距離D，其半長軸、半短軸和半焦距分別用a、b、f表示，且滿足D＝2f，min{a-f}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D橢圓柱代表圍繞在無線信號發送車輛和無線信號接收車輛周圍、與車身高度H₀相等的垂直隧道墻壁，無線信號發送車輛和無線信號接收車輛分別位于3D橢圓柱頂面橢圓的兩個焦點上，兩個2D圓環的圓心分別與3D橢圓柱頂面橢圓的兩個焦點重合，即3D橢圓柱頂面橢圓與3D半橢球體的底面橢圓相重合；二號圓環在3D橢圓柱底面橢圓上有一個半徑為R_R的投影區域，共有N_G個地面有效散射體分布在該投影區域內上，第n_G個地面有效散射體表示為

無線信號由無線信號發送車輛直接到達無線信號接收車輛所經歷的路徑為直視路徑LOS，路徑長度記為ε_pq，直視路徑從無線信號發送車輛出發的水平離開角和到達無線信號接收車輛的水平到達角分別記為和由無線信號發送車輛發出經過散射體反射后到達無線信號接收車輛的路徑為SB_i單跳反射路徑，路徑長度記為ε_pqni；SB_i單跳反射路徑的水平離開角和水平到達角分別記為SB₃單跳反射路徑的離開俯仰角和到達俯仰角分別記為SB_G單跳反射路徑的離開俯仰角和到達俯仰角分別記為由無線信號發送車輛發出先后經過散射體和兩次反射后到達無線信號接收車輛的路徑為DB雙跳反射路徑，路徑長度記為DB雙跳反射路徑的水平離開角和水平到達角分別為

所述步驟(3)具體包括以下步驟：

(3a)生成隧道場景下含有無線信號水平地面反射路徑的車對車無線信道仿真模型它表示為一個M_R×M_T維度的矩陣，其中h_pq(t)為無線信號發送車輛第p個天線到無線信號接收車輛第q個天線之間的沖激響應，其表示為：

式中，為直視路徑的信道沖擊響應分量，為雙跳反射路徑的信道沖擊響應分量，分別為SB₁單跳反射路徑、SB₂單跳反射路徑的信道沖擊響應分量，分別為SB₃單跳反射路徑、SB_G單跳反射路徑的信道沖擊響應分量，其表示式分別為：

式中：c為光速，其值為3×10⁸，且滿足λ·f_c＝c，λ為載波波長，f_c為載波頻率；為散射體與傳播射線相互作用產生的相位偏移；E[]為統計期望算子；k為信道仿真模型的萊斯因子；功率系數η_DB代表著SB_i沖激響應分量、SB_j沖激響應分量和DB沖激響應分量占總功率值的比例，且滿足在低車流密度的隧道場景下將功率系數設置為η_DB＝0.2；在仿真實驗中，通過對功率系數提前賦值來指明各個反射分量在總反射中的含量，表征在不同車流密度的隧道場景下的信道模型，在高車流密度隧道場景下功率系數賦值時滿足在低車流密度隧道場景下功率系數賦值時滿足

(3b)基于生成的隧道場景車對車無線信道仿真模型H(t)，計算隧道場景下的車對車MIMO實時無線信道容量capacity(t)：

式中：det(·)代表行列式算子，(·)^T代表矩陣轉置算子，為M_R維的單位矩陣，S為信噪比。