[發明專利]空時一致性下的三重非平穩無線通信信道建模方法

有效

• 申請號: 202210281015.4
• 申請日: 2022-03-22
• 公開（公告）號: CN114665998B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發明（設計）人: 程翔;黃子蔚
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391;H04B7/0413
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

1.一種空時一致性下的空時頻非平穩無線通信信道模型的構建方法，包括如下步驟：

1)在初始時刻，確定和計算與收發端天線陣列相關的參數；在環境中隨機生成和放置簇，并確定簇的參數；基于環境中的簇，隨機生成和放置簇內可解析的射線，并確定相關參數；

2)設計陣列-可視區域法和時間-可視區域法，以每個天線元件為球心構建基于天線的可視球ABVS，以環境中的每個簇為球心構建基于簇的可視球CBVS；利用陣列-可視條件和時間-可視條件，分別確定在時刻t_n環境中的陣列-可視簇和時間-可視簇；進一步地，基于陣列-可視簇的集合與時間-可視簇的集合確定在時刻t_n的有效簇的集合；包括步驟S21～S23：

S21：設計陣列-可視區域法，用于確定時間-可視簇的集合；

S211：以每個天線元件為球心的球作為三維信道模型的可視區域，構建基于天線的可視球ABVS；當一個簇的收縮距離在天線的ABVS中時，該簇對該天線可視，該簇即為一個陣列-可視簇；不同的天線具有不同陣列-可視簇的集合；

S212：將ABVS的半徑設為空間平穩區間，此時信道在該區間為平穩，簇保持可視狀態，即不存在簇的生滅切換；

獲得空間平穩區間包括如下過程：

定義兩根天線元件間共享簇的數量與該天線的陣列-可視簇的數量的比例Λ_T/R，該值等于兩個天線的重疊區域的體積與ABVS體積的比例，表示天線間相關性的大?。?/p>

通過計算得到空間平穩區間Δs_T/R，具體是：令s_T/R是初始的天線間隔，即s_T＝|l-l'|和s_R＝|k-k'|；l代表發射端的第個天線；k代表接收端的第k個天線；Δs_T/R代表ABVS半徑橫跨的發射端/接收端天線陣列的長度；當Δs_T/R＝R_A,T/R時，Δs_T/R為空間平穩區間，表示為：

R_A,T/R為ABVS的半徑；即空間平穩區間被確定為可視區域ABVS的半徑R_A,T/R；

其中，ε_a是天線相關性的閾值和inf{·}決定了一個函數的下確界；

S214：明確陣列-可視簇的條件，具體步驟如下：

首先，計算收縮距離參數和其中是簇離第l根天線元件的距離和是發射端的收縮因子；是簇離第k根天線元件的距離和是接收端的收縮因子；代表了在的作用下，將簇離第l根天線元件的距離進行收縮映射后的距離；代表了在的作用下，將簇離第k根天線元件的距離進行收縮映射后的距離；

S215：基于陣列-可視簇的條件，有效地確定陣列-可視簇的集合；

若簇的距離滿足該簇為發射端/接收端陣列-可視簇；反之，若簇的距離滿足該簇為發射端/接收端陣列-不可視簇；

S22：提出時間-可視區域法，用于確定時間-可視簇的集合；包括步驟如下：

S221：首先，確定時間-可視區域的形狀，以每個簇為球心分配一個球型的可視區域，命名為CBVS；當天線陣列的中心位于簇的CBVS外時，該簇為一個時間-不可視簇；反之，當天線陣列的中心位于簇的CBVS內時，該簇為一個時間-可視簇；不同的時刻環境中具有不同的時間-可視簇的集合；

S222：定義CBVS的半徑為時間平穩距離；

S223：通過計算時間域上的平穩區間L(t)，計算得到時間平穩區間；

將在時刻t時的信道功率延遲分布表示為：

N(t)為有效孿生簇的個數；M_n(t)為第n對有效孿生簇內射線的個數；

將時間平穩區間L(t)表示為：

其中，R_Ω(t,Δt)是功率延遲分布的時間自相關函數和ε_t是時間相關性的閾值；

S224：利用簇的速度，將得到的時間平穩區間擴展為時間平穩距離，從而確定CBVS的半徑具體地，CBVS的半徑數值上等于時間平穩距離表示為：

其中，v_T,n(t)為臨近發射端的簇的運動速度；v_R,n(t)為臨近接收端的簇的運動速度；

S225：利用構建的CBVS明確時間-可視簇條件，確定時間-可視簇的集合和時間-不可視簇的集合；具體包括：

確定簇的時間-可視條件如下：若發射端/接收端的中心位于CBVS內，即滿足則對應的簇為發射端/接收端時間-可視簇；反之，若發射端/接收端的中心位于CBVS外，即滿足則對應的簇為發射端/接收端時間-不可視簇；

S226：再基于時間-可視簇的條件，有效地確定環境中的時間-可視簇的集合；

S23：基于S21中確定的發射端/接收端陣列-可視簇的集合和S22中確定的發射端/接收端時間-可視簇的集合，明確環境中的發射端/接收端有效簇的集合；

具體是定義同時為發射端/接收端陣列-可視簇和發射端/接收端時間-可視簇的簇為發射端/接收端有效簇；

進一步地，將發射端有效簇和接收端有效簇進行隨機地配對；配對成功的簇構成一組有效孿生簇；

3)基于步驟2)中確定的時刻t_n的有效簇的集合，定義可視數學因子并計算有效簇功率，對有效簇在空時域演進時功率的軟切換建模；包括：

S31：將有效簇的功率表示為其中，P_n(t)為簇在時刻t時的功率；

S32：定義可視數學因子ω_T/R,n(t)是一致連續函數且是有界變差函數，表示為：

S33：發射端/接收端有效簇的功率表示為：

通過可視數學因子ω_T/R,n(t)，對有效簇功率的軟切換進行有效地建模；r_τ表示時延量表；σ_τ表示隨機時延擴展；Z_n服從高斯分布；

4)計算在時刻t_n下的信道沖激響應，并對信道沖激響應做傅里葉變換，得到信道傳遞函數；在信道傳遞函數中引入頻率相關的數學因子以捕捉頻率相關的路徑增益；是場景相關的因子；f_c是載波頻率；

5)在下一個時刻t_n+1＝t_n+Δt，隨機生成新生簇和新生簇內射線，并進一步確定新生簇和新生簇內射線的參數；

6)基于初始時刻生成的簇和步驟5)中生成的新生簇，確定在時刻t_n+1＝t_n+Δt下的有效簇的集合、信道沖激響應和信道傳遞函數；

7)循環執行步驟2)～6)，得到每一個時刻的有效簇的集合、信道沖激響應和信道傳遞函數；

通過上述步驟，實現空時一致性下的三重非平穩信道模型的構建，可建模得到空時一致性下的空時頻非平穩無線通信信道模型。