一種3d-mimo天線(xiàn)極化增益的聯(lián)合存儲(chǔ)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及3D天線(xiàn)極化增益的計(jì)算和3D信道估計(jì)技術(shù)。本發(fā)明根據(jù)半波偶極天線(xiàn)的共同特性，發(fā)明一種聯(lián)合存儲(chǔ)極化增益的方法，該方法對(duì)3D-MIMO中天線(xiàn)系統(tǒng)的三維極化增益的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)和簡(jiǎn)化，不僅節(jié)省了大量的存儲(chǔ)空間，解決了巨大的三維極化增益數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)難題，又能加快波束離開(kāi)或到達(dá)天線(xiàn)時(shí)的三維極化增益的計(jì)算，還減小了天線(xiàn)在調(diào)整姿態(tài)時(shí)所需要更新的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，有利于天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)施。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種3D-MIM0天線(xiàn)極化增益的聯(lián)合存儲(chǔ)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及3D天線(xiàn)極化增益的計(jì)算和3D信道估計(jì)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, ΜΙΜΟ)技術(shù)被越來(lái)越深入地研究，由于無(wú)線(xiàn)信道的多徑特性，使得MIMO技術(shù)在不改變發(fā)射功率和帶寬的情況下，相對(duì)單天線(xiàn)系統(tǒng)有很大的容量提升，因此，MMO已經(jīng)成為許多天線(xiàn)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，比如第四代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)LTE (3GPP Long Term Evolution)。
[0003]以往的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)所涉及的MMO技術(shù)均是指二維的多輸入多輸出(Two-Dimensional Multiple Input and Multiple Output System, 2D-MIM0)技術(shù)，即基站到用戶(hù)的傳輸電磁波是在平面內(nèi)進(jìn)行傳輸?shù)模瑥幕?Base Station, BS)到用戶(hù)(MobileStation, MS)各條多徑的離開(kāi)角和到達(dá)角均限制在水平面的二維平面內(nèi)，波束的到達(dá)角只考慮水平到達(dá)角(Angle Of Arrival，Α0Α)，波束的離開(kāi)角只考慮水平離開(kāi)角(AngleOf Departure, A0D),而把垂直到達(dá)角(Elevation Angle Of Arrival, E0A)和垂直離開(kāi)角(Elevation Angle Of D印arture，E0D)都默認(rèn)設(shè)為了 90度。三維的多輸入多輸出(Three-Dimensional Multiple Input and Multiple Output System, 3D-MIM0)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)2D-MIM0中增加了仰角的維度，即EOA和EOD不能簡(jiǎn)單的都設(shè)為90度，而是會(huì)根據(jù)系統(tǒng)不同的場(chǎng)景中基站用戶(hù)不同的分布而確定的值，代表的是電磁波在傳播過(guò)程中，在垂直方向上偏離的角度大小，因此，比2D-MM0多了一個(gè)仰角維度。目前尚屬于較新的前沿【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0004]在傳統(tǒng)的2D-MM0中，因此，天線(xiàn)的極化增益僅存在于水平面，是一個(gè)數(shù)據(jù)量不大的2維數(shù)組。傳統(tǒng)的2D-MM0天線(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)大部分均為每根天線(xiàn)擁有獨(dú)立的一個(gè)儲(chǔ)存器，用來(lái)存儲(chǔ)自身的極化增益，當(dāng)傳播波束到達(dá)時(shí)，每根天線(xiàn)根據(jù)該到達(dá)波束的方位角確定一對(duì)上下限點(diǎn)，使該方位角位于上下限點(diǎn)之間，然后從自身的存儲(chǔ)器中讀取出方位角范圍上限點(diǎn)和下限點(diǎn)的極化增益值，利用一維插值，可以快速計(jì)算出該波束的極化增益。傳統(tǒng)的2D-MM0天線(xiàn)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，擁有多個(gè)存儲(chǔ)器、計(jì)算模塊、信道控制模塊和天線(xiàn)下傾角調(diào)整模塊等。當(dāng)波束到達(dá)時(shí)，每根天線(xiàn)從與之相連的極化增益存儲(chǔ)器中，取出兩個(gè)與到達(dá)波束角度最接近的兩個(gè)點(diǎn)，傳輸給計(jì)算模塊，計(jì)算模塊根據(jù)一維插值方法，可以快速計(jì)算出該到達(dá)波束的天線(xiàn)極化增益，傳輸給信道控制模塊，以便用于后續(xù)的信道檢測(cè)和波束賦形等運(yùn)用，也傳輸給天線(xiàn)下傾角調(diào)整模塊，用于動(dòng)態(tài)調(diào)整每根天線(xiàn)的極化增益存儲(chǔ)器的值。
[0005]顯然，傳統(tǒng)的2D-MM0明顯不符合實(shí)際中波束的傳輸情況，實(shí)際通信環(huán)境中，由于散射體的高度和天線(xiàn)的高度，電磁波要經(jīng)過(guò)繞射、折射等方式傳輸?shù)接脩?hù)端，是一個(gè)三維的傳輸場(chǎng)景，除了水平到達(dá)角和離開(kāi)角外，還有垂直維的角度，EOA和EOD不總是為90度，因此,考慮加入EOA和EOD的影響，會(huì)給信道增加一個(gè)仰角方位的變化維度,進(jìn)而會(huì)增加信道的傳輸容量，因此，3D-MIM0會(huì)帶來(lái)更好的信道增益等優(yōu)點(diǎn)，是今后信道設(shè)計(jì)和仿真的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)之一。目前，對(duì)于3D-MM0的建模，主要集中在WINNER II (Wireless WorldInitiative New Radio II，WINNER II )信道的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仰角維度的擴(kuò)展，完成對(duì)3D-MIM0信道建模和仿真驗(yàn)證。
[0006]由于3D-MM0需要考慮仰角的影響，因此需要把天線(xiàn)的場(chǎng)分布從簡(jiǎn)單的2維擴(kuò)展到復(fù)雜的3維的立體空間，此時(shí)的極化增益的特性變得復(fù)雜，因此，3D-MM0需要儲(chǔ)存的極化增益數(shù)組將是一個(gè)數(shù)據(jù)量巨大的三維數(shù)據(jù)，即使采用了一定的壓縮算法，需要存儲(chǔ)的場(chǎng)分布仍然是一個(gè)數(shù)據(jù)量巨大的三維數(shù)組，傳統(tǒng)的2D-MIM0天線(xiàn)存儲(chǔ)計(jì)劃增益的方式會(huì)帶來(lái)巨大的存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)，而且當(dāng)電磁波波束到達(dá)時(shí)，計(jì)算計(jì)劃增益時(shí)需要讀取的數(shù)據(jù)多，導(dǎo)致效率低，耗時(shí)長(zhǎng)，給信道計(jì)算帶來(lái)的延時(shí)大，不利于信道傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。并且，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)牟ㄊ尚?，根?jù)用戶(hù)的方位分布而調(diào)整天線(xiàn)的排放位置，調(diào)整波束覆蓋范圍以便使接收到的信號(hào)最佳時(shí)，天線(xiàn)需要更新儲(chǔ)存器中的計(jì)劃增益的數(shù)據(jù)量也較大，不利于天線(xiàn)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。而目前對(duì)于以上所述問(wèn)題，并沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)或資料提出過(guò)很好的解決方案。對(duì)于三維天線(xiàn)計(jì)劃增益的存儲(chǔ)問(wèn)題依然困擾著對(duì)3D-MIM0進(jìn)行研究的技術(shù)人員。
[0007]而目前大部分天線(xiàn)使用的是半波偶極天線(xiàn)，以豎直傾斜角為Y的和豎直傾斜角- Y的兩根天線(xiàn)為一個(gè)天線(xiàn)單元組的形式，均勻排布在一條直線(xiàn)上或一個(gè)平面上或一個(gè)橢球面上。因此，可以把天線(xiàn)分成豎直傾斜角為Y的和豎直傾斜角-Y兩類(lèi)，同一類(lèi)天線(xiàn)的極化增益具有很多共同特性，而目前很少有文獻(xiàn)對(duì)該特性加以利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決3D-MM0中巨大的三維極化增益數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)難題，本發(fā)明根據(jù)半波偶極天線(xiàn)的共同特性，發(fā)明一種聯(lián)合存儲(chǔ)計(jì)劃增益的方法，該方法對(duì)3D-MM0中天線(xiàn)系統(tǒng)的三維極化增益的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)和簡(jiǎn)化，達(dá)到減小存儲(chǔ)總量的目的，以減小存儲(chǔ)器的開(kāi)銷(xiāo)。
[0009]本發(fā)明采用的天線(xiàn)為:以一根豎直傾斜角為Y的天線(xiàn)和一根豎直傾斜角-Y的天線(xiàn)組成一個(gè)半波偶極天線(xiàn)單元組，多個(gè)天線(xiàn)單元組組成一個(gè)天線(xiàn)陣列。建立全局坐標(biāo)系(Global Coordinate System, GCS),將一個(gè)天線(xiàn)的福射平面豎直面向正東方放置，以正南方為X軸，以正東方為Y軸，垂直于水平面為Z軸，以天線(xiàn)的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，其中，GCS代表的物理意義為確定一個(gè)全局統(tǒng)一的參考系，用于確定電磁波波束的方位角和仰角，以便于通信系統(tǒng)間的一致性，0°≤Y≤90°，-90°≤ 0°。
[0010]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0011]S1、對(duì)所有天線(xiàn)組進(jìn)行分類(lèi)，具體為:按照天線(xiàn)豎直角度分為第一類(lèi)天線(xiàn)和第二類(lèi)天線(xiàn)，其中，第一類(lèi)天線(xiàn)為豎直傾斜角為Y的天線(xiàn)，第二類(lèi)天線(xiàn)為豎直傾斜角為-Y的天線(xiàn).[0012]S2、分別計(jì)算兩類(lèi)天線(xiàn)在立體空間中的三維極化增益，所述極化增益包括垂直極化增益和水平極化增益，具體為:
[0013]第一類(lèi)天線(xiàn)的垂直極化增益為
【權(quán)利要求】
1.一種3D-MM0天線(xiàn)極化增益的聯(lián)合存儲(chǔ)方法，其特征在于，包括以下步驟: S1、對(duì)所有天線(xiàn)組進(jìn)行分類(lèi)，具體為:按照天線(xiàn)豎直角度分為第一類(lèi)天線(xiàn)和第二類(lèi)天線(xiàn)，其中，第一類(lèi)天線(xiàn)為豎直傾斜角為Y的天線(xiàn)，第二類(lèi)天線(xiàn)為豎直傾斜角為-Y的天線(xiàn)； S2、分別計(jì)算兩類(lèi)天線(xiàn)在立體空間中的三維極化增益，所述極化增益包括垂直極化增益和水平極化增益，具體為: 第一類(lèi)天線(xiàn)的垂直極化增益為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3D-MM0天線(xiàn)極化增益的聯(lián)合存儲(chǔ)方法，其特征在于:S2所述三維極化增益具體為:一束電磁波波束對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行輻射，所述電磁波波束的方位角為Φ，傾角為Θ，其中，電磁波波束的方位角和電磁波波束的仰角的確定方法為:在所述電磁波波束上選取一點(diǎn)P，確定點(diǎn)P在空間直角坐標(biāo)系中的極化坐標(biāo)為P(r，Φ, Θ)，r為到原點(diǎn)的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3D-MM0天線(xiàn)極化增益的聯(lián)合存儲(chǔ)方法，其特征在于:S71所述將GCS中的方位角Φ GCS和仰角Θ GCS旋轉(zhuǎn)到ECS中的方位角Φ ECS和仰角Θ ECS具體過(guò)程如下:根據(jù)Rot中的Rotmay,把GCS旋轉(zhuǎn)變化為ACS，然后再根據(jù)Rot中的Rotelement把ACS旋轉(zhuǎn)為ECS，之后讀出電磁波波束在ECS中的方位角Φ ECS和仰角Θ ECSO
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3D-MM0天線(xiàn)極化增益的聯(lián)合存儲(chǔ)方法，其特征在于:對(duì)于非視距傳輸?shù)某鞘形⑿^(qū)場(chǎng)景，S8所述正整數(shù)N的取值為16。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3D-MM0天線(xiàn)極化增益的聯(lián)合存儲(chǔ)方法，其特征在于:天線(xiàn)陣列采用的是均勻平面型分布，則電磁波波束在所述均勻平面型天線(xiàn)陣列中的每個(gè)天線(xiàn)單元組中的ECS方位角ΦΕα和仰角ΘΕΚ都相同，每個(gè)天線(xiàn)陣列只需要存儲(chǔ)一個(gè)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器 的值。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103984836SQ201410239298
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】羅輯, 張馳, 孫韜, 羅配良, 張忠培 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)