[發(fā)明專利]一種非對稱毫米波亞毫米波無線信道仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110635458.4
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113364544B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張焱;杜川;張萬成;何遵文;趙雷
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種非對稱毫米波亞毫米波無線信道仿真方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、建立散射體模型，并通過篩選建立非對稱有效散射體模型；

非對稱散射體模型，其散射體在球面上的分布可建模為服從von Mises-Fisher隨機(jī)分布；von Mises-Fisher是一種應(yīng)用于球上的方向隨機(jī)分布，三維單位向量x分布在立體球面上，其von Mises-Fisher概率密度函數(shù)表達(dá)式為：

f₃(x；μ,ζ)＝C₃(ζ)exp(ζμ^Tx) (1)

上式中，向量μ表示平均方向，滿足||μ||＝1；ζ為聚集因子，且ζ≥0；C₃(ζ)表示歸一化常量，由下式給出：

在散射體球狀分布的情況下，隨機(jī)變量x由散射體的方位角θ和俯仰角φ構(gòu)成：x＝[cosφcosθ,cosφsinθ,sinφ]；此外，向量μ＝[cosφ₀cosθ₀,cosφ₀sinθ₀,sinφ₀]，這里的θ₀，φ₀分別為散射體的平均方位角和俯仰角；基站側(cè)和移動(dòng)臺側(cè)的散射體球狀分布概率密度函數(shù)為：

有效散射體的生成過程包括以下步驟：

1)選擇傳輸側(cè)u(u為基站側(cè)T或移動(dòng)臺側(cè)R，即u∈{T,R})，根據(jù)散射體球狀分布概率密度函數(shù)，該側(cè)共計(jì)N_u個(gè)散射體中，生成的第i個(gè)(其中i∈{1,2,…,N_u})散射體記為

2)判斷傳輸側(cè)u的散射體是否在鏈路方向(為上行鏈路UL或下行鏈路DL，即)的有效散射體內(nèi)，即判斷散射體所對應(yīng)的水平方位角和垂直俯仰角是否滿足：

其中和分別表示波束中心方向的水平方位角和垂直俯仰角，和分別表示在水平和垂直方向上的波束寬度；

3)如果散射體在有效范圍內(nèi)，則記入對應(yīng)的鏈路方向與傳輸側(cè)u的有效散射體集合否則不計(jì)入；

4)更改散射體i、鏈路方向與傳輸側(cè)u，重復(fù)步驟1至3，直到所有散射體都被遍歷，并得到對應(yīng)的有效散射體集合

步驟二、建立三維波束模型，將上行和下行的定向性波束分別建模為三維空間中的椎體形狀；

步驟三、根據(jù)非對稱有效散射體模型和三維波束模型，建立非對稱毫米波亞毫米波信道的信道沖激響應(yīng)。

2.如權(quán)利要求1所述，一種非對稱毫米波亞毫米波無線信道仿真方法，其特征在于，步驟二的實(shí)現(xiàn)方法為：

三維波束模型為水平方向上角度寬度為α，豎直方向上角度寬度為β的椎體；波束的中心方向用水平方位角θ^B和垂直俯仰角φ^B描述，因此可以將該波束表示為B(θ^B,φ^B,α,β)，其天線方向圖可記為F(θ^B,φ^B)；使用該三維波束模型，可以得到天線增益

3.如權(quán)利要求1所述，一種非對稱毫米波亞毫米波無線信道仿真方法，其特征在于，步驟三的實(shí)現(xiàn)方法為：

非對稱毫米波亞毫米波信道的信道沖激響應(yīng)，可由矩陣進(jìn)行描述；其中中的p(p＝1,2,…,P)表示基站側(cè)共P個(gè)天線陣元中的第p個(gè)天線陣元，其位置向量表示為q(q＝1,2,…,Q)表示移動(dòng)臺側(cè)共Q個(gè)天線陣元中的第q個(gè)天線陣元，其位置向量表示為

所有的幾何關(guān)系可以統(tǒng)一在以O(shè)為原點(diǎn)的xyz直角坐標(biāo)系中表示，因此滿足位置向量其中O_T和O_R分別表示基站側(cè)和移動(dòng)臺側(cè)的散射體球心，移動(dòng)臺側(cè)散射體分布的球體半徑記為R_T，移動(dòng)臺側(cè)散射體分布的球半徑記為R_R，移動(dòng)臺與基站之間的水平距離記為D；

由于移動(dòng)臺的移動(dòng)，角度和位置向量均具有時(shí)變性，因此散射體位置向量可以表示為：

其中散射體表示基站側(cè)的第i個(gè)散射體，該散射體相對于基站側(cè)散射體球心O_T的位置向量記為散射體表示移動(dòng)臺側(cè)的第j個(gè)散射體，該散射體相對于移動(dòng)臺側(cè)散射體球心O_R的位置向量記為

V_MS表示移動(dòng)臺的移動(dòng)速度矢量，t為瞬時(shí)時(shí)刻，則視距徑路徑向量可以表示為：

因此，從移動(dòng)臺側(cè)散射體球心O_R到基站側(cè)散射體以及從基站側(cè)散射體球心O_T到移動(dòng)臺側(cè)散射體的單跳路徑向量表示為：

從基站側(cè)散射體到移動(dòng)臺側(cè)散射體的雙跳路徑向量表示為：

考慮到毫米波亞毫米波在非視距徑條件下，每發(fā)生一次反射，都會產(chǎn)生數(shù)十dB的漫散射損耗，因此在模型中對三次及更高次的反射忽略不計(jì)；由視距徑，單跳，雙跳分量疊加組成：

上式中K為萊斯因子，表示視距徑的功率占總功率的比例；將所有的幾何關(guān)系都統(tǒng)一在以O(shè)為原點(diǎn)的xyz直角坐標(biāo)系中表示；SB_u(u∈{T,R})表示兩種情況下的單跳，u＝T時(shí)單跳的散射體位于基站側(cè)，u＝R時(shí)散射體位于移動(dòng)臺側(cè)；分別表示方向上的從基站側(cè)的第p個(gè)天線陣元到移動(dòng)臺側(cè)第q個(gè)天線陣元的視距徑、單跳和雙跳分量的信道沖激響應(yīng)函數(shù)；

信道沖激響應(yīng)函數(shù)的視距徑、單跳和雙跳分量中，均涉及到收發(fā)天線增益以及由于自由空間擴(kuò)散和空氣分子吸收效應(yīng)電磁波信號所經(jīng)歷的衰減A(d)，可分別由下式計(jì)算得到：

為基站側(cè)第p個(gè)陣元的天線方向圖，為移動(dòng)臺側(cè)第q個(gè)陣元的天線方向圖；d表示傳播距離，K_f表示空氣吸收系數(shù)，主要由空氣的成分組成決定，且隨著信號頻率f的變化而變化，c表示光速；

對于視距徑分量，可由以下步驟得出：

1)收發(fā)天線增益可由(10)式計(jì)算得到，將d＝W_LoS(t)代入(11)式可得到視距徑下信號所經(jīng)歷的自由空間擴(kuò)散和空氣分子吸收帶來的總衰減A_LoS(t)；

2)計(jì)算視距徑下移動(dòng)臺相對于基站的多普勒頻移：

其中為視距徑向量W_LoS(t)的單位向量；

3)計(jì)算視距徑下移動(dòng)臺相對于基站的時(shí)延：

其中W_LoS(t)為視距徑向量W_LoS(t)的模；

4)計(jì)算

其中為波數(shù)，Φ_LoS為視距徑隨機(jī)相位，在(0,2π]范圍內(nèi)均勻分布；

對于單跳路徑分量，可由以下步驟得出：

1)根據(jù)(10)式計(jì)算天線增益將代入(11)式可得到有效散射體單跳所經(jīng)歷的自由空間擴(kuò)散和空氣分子吸收的總衰減其中標(biāo)量和分別為向量和所對應(yīng)的模長；

2)計(jì)算單跳下移動(dòng)臺相對于基站的多普勒頻移：

其中為單跳下徑向量的單位向量；

3)計(jì)算單跳下移動(dòng)臺相對于基站的時(shí)延：

4)計(jì)算單跳漫散射功率損耗χ^SB；

單跳及雙跳漫散射功率損耗χ，可采用如下步驟計(jì)算；其中χ^SB代表單跳漫散射功率損耗，χ^DB代表雙跳漫散射功率損耗；

計(jì)算單跳漫散射功率損耗χ^SB；其中假設(shè)入射波以θ_in入射到平面上，以入射點(diǎn)為原點(diǎn)，散射平面為xoy平面，建立三維直角坐標(biāo)系，z軸為法線方向；入射波所在的平面稱為入射面，入射角記為θ_in，垂直方向出射角記為θ_out，水平方向出射角假設(shè)這三個(gè)角均在一定角度范圍內(nèi)均勻分布，即：θ_in～U(0,π/2)，θ_out～U(0,π/2)和考慮信道中存在N_∈種散射體，第∈(∈＝1,…,N_∈)種散射體占總散射體的概率為P_∈(滿足)；其對應(yīng)的粗糙表面均方根高度記為ρ_h,∈，折射率記為n_t,∈；將這N_∈種散射體的粗糙表面均方根高度和折射率的期望值，作為所有散射體粗糙表面的平均特征，即根據(jù)θ_in，θ_out和之間的關(guān)系，χ^SB分為反射和散射兩種情況進(jìn)行計(jì)算；

①對于反射的情況(θ_in＝θ_out且)，使用下式計(jì)算；其中瑞利粗糙因子記為ρ_r，菲涅爾反射系數(shù)記為Fr；

其中，瑞利粗糙因子ρ_r和菲涅爾反射系數(shù)Fr使用下式計(jì)算；

②對于散射的情況(θ_in≠θ_out或)，使用下式計(jì)算；其中散射損耗因子記為ρ_s，菲涅爾反射系數(shù)記為Fr；

5)計(jì)算

為單跳的隨機(jī)相位，在(0,2π]范圍內(nèi)均勻分布；表示方向上u側(cè)的有效散射體總數(shù)；分別為單跳路徑向量對應(yīng)的單位向量，后兩者分別對應(yīng)于從u側(cè)的p天線到以及從到u側(cè)的q天線的路徑向量；

對于雙跳路徑分量，可由以下步驟得出：

1)天線增益可由(10)式計(jì)算得到，將代入(11)式可得到有效散射體和雙跳對應(yīng)的空氣分子吸收效應(yīng)導(dǎo)致的衰減其中為從到的徑向量的模長；

2)計(jì)算雙跳下接收端的多普勒頻移：

3)計(jì)算雙跳下移動(dòng)臺相對于基站的時(shí)延；

4)雙跳漫散射功率損耗χ^DB可近似為：

χ^DB＝(χ^SB)² (24)

5)計(jì)算

為隨機(jī)相位，在(0,2π]范圍內(nèi)均勻分布；表示基站側(cè)和移動(dòng)臺側(cè)的有效散射體總數(shù)；分別為對應(yīng)的單位向量，后兩者分別對應(yīng)于從u側(cè)的p天線到以及從到u側(cè)的q天線的路徑向量。