專利名稱：多天線信道模擬系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線輸入輸出系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種多天線信道模擬系統(tǒng)及方 法。
背景技術(shù)：
在如今的無線通訊時代，由于無線網(wǎng)通產(chǎn)品日趨重要導(dǎo)致無線網(wǎng)通產(chǎn)品的需求快 速地成長。有關(guān)無線網(wǎng)通產(chǎn)品的通訊質(zhì)量中，最重要的一環(huán)即為高頻天線的設(shè)計。此外，由 于日益增加的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量以及數(shù)據(jù)量的增加需求，多天線輸入輸出(MIMO)系統(tǒng)亦在此 番規(guī)格競賽中脫穎而出。各種通訊規(guī)格的MIMO系統(tǒng)都將應(yīng)用于高度多路徑散射的環(huán)境中， 使得MIMO系統(tǒng)更能受益于通訊質(zhì)量的提升。MIMO系統(tǒng)提供了增加系統(tǒng)效能以及容量的可能性，因此測試MIMO系統(tǒng)組件需要 提供一個能正確且高效率展現(xiàn)無線通道的仿真平臺。然而，提供一個在真實信道環(huán)境下的 MIMO系統(tǒng)常常是困難重重，其主要原因是MIMO系統(tǒng)需要許多的傳送/接收信道組合。以一 般常見的2X2MIM0系統(tǒng)為例，由于該系統(tǒng)本身含有四個信道，如果僅僅利用兩個單獨無相 關(guān)性的通道，并無法仿真出多通道效應(yīng)。一般常見的通道測試仿真方式有兩種真實信道量測紀錄方法以及硬件型信道仿 真器的測試方式。其中，真實信道量測紀錄方法對于正處設(shè)計或驗證階段的無線產(chǎn)品并不 是一種有效率的方法，其主要原因是由于通道的敏感性而不可掌控通道特性，以及由于通 道的不穩(wěn)定性因而需要進行不同環(huán)境的多次量測。硬件型信道仿真器的測試方法需要采用 特殊硬件加速裝置制作的信道仿真器，其具有實時的優(yōu)異運算效益，使得能夠提供真實的 通道效應(yīng)。然而，由于信道仿真器的硬件擴充性的限制而無法實現(xiàn)太復(fù)雜的MIMO系統(tǒng)，以 及由于信道仿真器的成本價格較高而不能成為大眾化的測試方式。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種多天線信道模擬系統(tǒng)，能夠模擬出復(fù)雜的多天線 輸入輸出系統(tǒng)信道以及提供具有穩(wěn)定效能的信道模擬結(jié)果。此外，還有必要提供一種多天線信道模擬方法，能夠模擬出復(fù)雜的多天線輸入輸 出系統(tǒng)信道以及提供具有穩(wěn)定效能的信道模擬結(jié)果?！N多天線信道模擬系統(tǒng)包括多天線模擬單元、天線相關(guān)度計算單元以及天線 信道產(chǎn)生單元。所述的多天線模擬單元用于根據(jù)從輸入設(shè)備輸入的相關(guān)參數(shù)建立一個多天 線系統(tǒng)三維模型，模擬出多天線三維系統(tǒng)的遠場場形，以及獲取各天線在水平面上的遠場 場形。所述的天線相關(guān)度計算單元用于根據(jù)各天線在水平面上的遠場場形產(chǎn)生各天線的水 平角能量分布頻譜，以及根據(jù)各天線的水平角能量分布頻譜計算各天線之間的相關(guān)度。所 述的天線信道產(chǎn)生單元用于根據(jù)各天線的遠場場形以及各天線之間的相關(guān)度產(chǎn)生多天線 輸入輸出的系統(tǒng)信道。此外，該多天線信道模擬系統(tǒng)還包括天線信道分析單元，用于將輸入 信號進行信號編碼以及信號調(diào)變，將調(diào)變信號輸入系統(tǒng)信道中進行信道模擬傳輸，將經(jīng)系統(tǒng)信道輸出的調(diào)變信號進行信號解碼以及信號逆調(diào)變，以及根據(jù)逆調(diào)變信號分析傳輸信號 的誤碼率。一種多天線信道模擬方法，該方法包括如下步驟根據(jù)輸入的信道模擬參數(shù)建立 一個多天線系統(tǒng)三維模型；根據(jù)所述的信道模擬參數(shù)模擬出多天線三維系統(tǒng)的遠場場形； 獲取各天線在水平面上的遠場場形；根據(jù)各天線在水平面上的遠場場形產(chǎn)生各天線的水平 角能量分布頻譜；根據(jù)各天線的水平角能量分布頻譜計算各天線之間的相關(guān)度；以及根據(jù) 各天線的遠場場形以及各天線之間的相關(guān)度產(chǎn)生一個天線輸入輸出系統(tǒng)信道。此外，該多 天線信道模擬方法還包括如下步驟將輸入信號進行信號編碼以及信號調(diào)變；將調(diào)變信號 輸入系統(tǒng)信道中進行信道模擬傳輸；將經(jīng)系統(tǒng)信道輸出的調(diào)變信號進行信號解碼以及信號 逆調(diào)變；以及根據(jù)逆調(diào)變信號分析傳輸信號的誤碼率。相較于現(xiàn)有技術(shù)，所述的多天線信道模擬系統(tǒng)及方法能夠模擬出復(fù)雜的多天線輸 入輸出的信道系統(tǒng)，節(jié)約了模擬多天線信道系統(tǒng)的成本，以及提供具有穩(wěn)定效能的信道模 擬結(jié)果。


圖1是本發(fā)明多天線信道模擬系統(tǒng)較佳實施例的架構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明多天線信道模擬方法較佳實施例的流程圖。圖3A-3B是由兩條天線構(gòu)成的雙天線三維系統(tǒng)模型的示意圖。圖4A-4B是各種機率模型的水平角能量分布頻譜圖。圖5是對信號進行時空編碼以及信號調(diào)變的示意圖。圖6是對信號進行信號解碼以及信號逆調(diào)變的示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，是本發(fā)明多天線信道模擬系統(tǒng)2較佳實施例的架構(gòu)圖。該多天線信 道模擬系統(tǒng)2連接有輸入設(shè)備1以及顯示設(shè)備3。所述的輸入設(shè)備1用于輸入建立一個多 天線系統(tǒng)三維模型的信道模擬參數(shù)，所述的信道模擬參數(shù)包括需要建立的天線數(shù)量、各天 線的電磁場能量強度以及各天線之間的相關(guān)系數(shù)。所述的顯示設(shè)備3用于顯示建立的多天 線系統(tǒng)三維模型。所述的多天線信道模擬系統(tǒng)2包括多天線模擬單元21、天線相關(guān)度計算 單元22、天線信道產(chǎn)生單元23以及天線信道分析單元24。所述的多天線模擬單元21用于根據(jù)從輸入設(shè)備1輸入的信道模擬參數(shù)建立一個 多天線系統(tǒng)三維模型，根據(jù)輸入的電磁場能量強度模擬出多天線三維系統(tǒng)的遠場場形，以 及獲取各天線在水平面上的遠場場形。所述的遠場場形是指多天線三維系統(tǒng)中的各天線 (如圖3A-3B所示的天線1和天線2)周圍電磁場能量分布情況，當進行天線模擬時，各天線 須分別處于激發(fā)狀態(tài)，以得到每一條天線的遠場場形。所述的天線相關(guān)度計算單元22用于根據(jù)各天線在水平面上的遠場場形產(chǎn)生各天 線的水平角能量分布頻譜，以及根據(jù)各天線的水平角能量分布頻譜計算各天線之間的相關(guān) 度。所述的水平角能量分布頻譜是一種描述天線接收入射信號的表示方式，通常以機率方 法模型表示。在本實施例中，可采用的機率方法模型可以為均勻分布、高斯分布以及拉式分布。
所述的天線信道產(chǎn)生單元23用于根據(jù)各天線的遠場場形以及各天線之間的相關(guān) 度產(chǎn)生一個天線輸入輸出(Multiple-Input Multiple-Output，以下簡稱“ΜΙΜΟ”)系統(tǒng)信 道。本實施例中，一般而言，無線通訊的系統(tǒng)信道以雷利氏分布(Rayleigh distribution) 的隨機變量來進行模擬，所謂的雷利氏分布是指由二維不相關(guān)常態(tài)分布的隨機變數(shù)組成的 數(shù)字分布。所述的天線信道分析單元24用于將輸入信號進行時空編碼，并將編碼信號進行 數(shù)字信號調(diào)變產(chǎn)生調(diào)變信號，并將上述調(diào)變信號輸入MIMO系統(tǒng)信道中進行信道模擬傳輸。 在本實施例中，使用的多天線編碼系統(tǒng)為一種Alamouti時空編碼器(Alamouti Space-Time BlockEncoder)。所述的天線信道分析單元24還用于將經(jīng)ΜΙΜΟ系統(tǒng)信道輸出的調(diào)變信號進行解 碼，并將解碼信號進行數(shù)字信號逆調(diào)變。當天線信道分析單元24將調(diào)變信號送入MIMO系 統(tǒng)信道后，即立刻需在天線接收端解調(diào)分析輸出的調(diào)變信號，解碼后的信號再依據(jù)數(shù)字信 號調(diào)變方式進行逆調(diào)變，進行逆調(diào)變的動作，從而還原出原來的輸入信號。所述的天線信道分析單元24還用于根據(jù)逆調(diào)變信號分析出傳輸信號的誤碼率。 在本實施例中，當天線信道分析單元24完成信號逆調(diào)變之后，便能進行信號的誤碼率分 析，以便驗證經(jīng)過MIMO系統(tǒng)信道傳輸后的信號質(zhì)量。如圖2所示，是本發(fā)明多天線信道模擬方法較佳實施例的流程圖。步驟S20，從輸 入設(shè)備1輸入信道模擬參數(shù)，多天線模擬單元21根據(jù)輸入的信道模擬參數(shù)建立一個多天線 系統(tǒng)三維模型。所述的信道模擬參數(shù)包括需要建立的天線數(shù)量、各天線的電磁場能量強度 以及各天線之間的相關(guān)系數(shù)。本實施例中，以建立一個雙天線三維系統(tǒng)模型為例，當輸入天 線數(shù)量為2時，多天線模擬單元21則建立一個雙天線三維系統(tǒng)模型10。如圖3Α-3Β所示， 雙天線三維系統(tǒng)模型10包括天線1以及天線2，圖3Α為天線1和天線2平行擺置的雙天線 三維系統(tǒng)模型，圖3Β為天線1和天線2垂直相交擺置的雙天線三維系統(tǒng)模型。步驟S21，多天線模擬單元21根據(jù)輸入的電磁場能量強度模擬出多天線三維系統(tǒng) 的遠場場形，所述的遠場場形是指多天線三維系統(tǒng)中的各天線(例如天線1和天線2)周圍 電磁場能量分布情況，當進行天線模擬時，各天線須分別處于激發(fā)狀態(tài)，以得到每一條天線 的原場場形。步驟S22，多天線模擬單元21獲取各天線在水平面上的遠場場形，如圖3Α-3Β 所示，多天線模擬單元21沿χ方向以及y方向獲取每一條天線的E0向量分量以及Εψ向量 分量，其中，“Ε”為電磁場能量，“ θ，，以及“ ψ，，為偏移χ方向和y方向的角度。步驟S23，天線相關(guān)度計算單元22根據(jù)各天線在水平面上的遠場場形產(chǎn)生各天線 的水平角能量分布頻譜(Power Azimuth Spectrum，以下簡稱為“PAS”)。所述的水平角能 量分布頻譜是一種描述天線接收入射信號的表示方式，通常以機率方法表示。在本實施例 中，可采用的機率模型可以為均勻分布、高斯分布以及拉式分布。如圖4A所示，是各種機率 模型的水平角能量分布頻譜圖。天線相關(guān)度計算單元22可以產(chǎn)生一種均勻分布的水平角 能量分布頻譜a，一種高斯分布的水平角能量分布頻譜b，以及一種拉式分布的水平角能量 分布頻譜C。當天線多個方向的能量重疊時，天線相關(guān)度計算單元22也可以產(chǎn)生如圖4B所 示的多叢集水平角能量分布頻譜圖，以符合處于多散射環(huán)境下的電磁場能量分布情形。步驟S24，天線相關(guān)度計算單元22根據(jù)各天線的水平角能量分布頻譜計算各天線 之間的相關(guān)度。本實施例中，假設(shè)PAS(V) =PASe(V) =PASv(V),天線相關(guān)度計算單元22采用如下公式計算天線之間的相關(guān)度(采用"P12”表示)= * 其中，Rxi = Il·Ε62{φ). PAS, (φ) + B^1 (φ). Εφ2 (φ). PAS^⑷ J^ ；以及^ = I1J^iWf . PASe (灼 + 灼f .步驟S25，天線信道產(chǎn)生單元23根據(jù)各天線的遠場場形以及各天線之間的相關(guān)度 產(chǎn)生一個天線輸入輸出(Multiple-Input Multiple-Output,以下簡稱“ΜΙΜΟ”)系統(tǒng)信道。 本實施例中，一般而言，無線通訊的系統(tǒng)信道以雷利氏分布(Rayleigh distribution)的隨 機變量(Random Variable，以下簡稱“RV”)來進行模擬，所謂的雷利氏分布，即由二維不相 關(guān)常態(tài)分布((normal distribution)的隨機變數(shù)組成。在本實施例中，以程序語言表達如 Τ ζ (normal distribution RV(N, M)+j*normal distribution RV(N, Μ)/ V 2。胃巾，N 與M為天線的數(shù)量，而式中最后除以V 2則是為模擬的系統(tǒng)信道做規(guī)一化的動作。步驟S26，天線信道分析單元24將輸入信號進行時空編碼，并將編碼信號進行數(shù) 字信號調(diào)變產(chǎn)生調(diào)變信號。在本實施例中，使用的多天線編碼系統(tǒng)為一種Alamouti時空 編碼器(Alamouti Space-Time Block Encoder)，其編碼方式如下將輸入的信號流(如 sO, si, s2, ···..)依次序分配給多個發(fā)射天線，然后利用編碼法則進行編碼后，再進行 信號傳輸。以兩只發(fā)射天線為例，其傳輸模式如圖5所示，例如天線1上傳輸?shù)男盘枮?sO，-sl*，···..，以及天線2上傳輸?shù)男盘枮閟l，sO*，···..。當輸入信號進行完時空編碼 后，便要進行數(shù)字信號調(diào)變，而一般的數(shù)字信號調(diào)變方式非常多，例如BPSK、QPSKU6-QAM 以及64-QAM等，其各有運用優(yōu)勢，本實施例可依需求采用上述不同的數(shù)字信號調(diào)變方式。步驟S27，天線信道分析單元24將上述調(diào)變信號輸入MIMO系統(tǒng)信道中進行信道 模擬傳輸。步驟S28，天線信道分析單元24將經(jīng)MIMO系統(tǒng)信道輸出的調(diào)變信號進行解碼， 并將解碼信號進行數(shù)字信號逆調(diào)變。當天線信道分析單元24將調(diào)變信號送入MIMO系統(tǒng)信 道后，即立刻需在天線接收端解調(diào)分析輸出的調(diào)變信號。在本實施例中，采用的是估測通道 (例如圖6中hll，hl2，h21，h22)未知特性的解調(diào)方式對調(diào)變信號進行解碼，解碼后的信號 再依據(jù)步驟S26所使用的數(shù)字信號調(diào)變方式進行逆調(diào)變，進行逆調(diào)變的動作，從而還原成 原來的輸入信號(如sO，sl，s2，…..)。步驟S29，天線信道分析單元24根據(jù)逆調(diào)變信號分析出傳輸信號時的誤碼率。在 本實施例中，當天線信道分析單元24完成信號逆調(diào)變之后，便能進行信號的誤碼率分析， 以便驗證經(jīng)過MIMO系統(tǒng)信道傳輸后的信號質(zhì)量。本實施例提供一個雙天線系統(tǒng)的模擬范例，參考圖3A所示，為天線1和天線2平 行擺置的雙天線系統(tǒng)，圖3B為天線1和天線2垂直相交擺置的雙天線系統(tǒng)。此外，本次模 擬范例采用均勻分布的機率模型來產(chǎn)生天線的水平角能量分布頻譜，如圖4A所示的水平 角能量分布頻譜a。在信號編碼調(diào)變方面，使用Alamouti時空編碼的BPSK數(shù)字信號調(diào)變 方式，并通過信道估測進行譯碼解調(diào)動作。經(jīng)過本發(fā)明模擬出的雙天線系統(tǒng)，當天線垂直 相交擺置時(如圖3B)，由于天線1和天線2之間之相關(guān)系數(shù)降低，使得系統(tǒng)信道相關(guān)性降 低，因此該雙天線系統(tǒng)不論是低信雜比或低信雜比的環(huán)境條件中，都能有效降低誤碼率，從 而提升了該雙天線系統(tǒng)的信號傳輸質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種多天線信道模擬系統(tǒng)，該多天線信道模擬系統(tǒng)連接有輸入設(shè)備以及顯示設(shè)備， 其特征在于，該多天線信道模擬系統(tǒng)包括多天線模擬單元，用于根據(jù)從輸入設(shè)備輸入的相關(guān)參數(shù)建立一個多天線系統(tǒng)三維模 型，模擬出多天線三維系統(tǒng)的遠場場形，以及獲取各天線在水平面上的遠場場形；天線相關(guān)度計算單元，用于根據(jù)各天線在水平面上的遠場場形產(chǎn)生各天線的水平角能 量分布頻譜，以及根據(jù)各天線的水平角能量分布頻譜計算各天線之間的相關(guān)度；以及天線信道產(chǎn)生單元，用于根據(jù)各天線的遠場場形以及各天線之間的相關(guān)度產(chǎn)生多天線 輸入輸出的系統(tǒng)信道。
2.如權(quán)利要求1所述的多天線信道模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的多天線信道模擬系 統(tǒng)還包括天線信道分析單元，用于將輸入信號進行信號編碼以及信號調(diào)變，將調(diào)變信號輸 入系統(tǒng)信道中進行信道模擬傳輸，將經(jīng)系統(tǒng)信道輸出的調(diào)變信號進行信號解碼以及信號逆 調(diào)變，以及根據(jù)逆調(diào)變信號分析傳輸信號時的誤碼率。
3.如權(quán)利要求2所述的多天線信道模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的天線信道分析單元 使用時空編碼器對信號進行信號編碼。
4.如權(quán)利要求1所述的多天線信道模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的信道模擬參數(shù)包括 需要建立的天線數(shù)量、各天線的電磁場能量強度以及各天線之間的相關(guān)系數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的多天線信道模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的水平角能量分布頻 譜是一種描述天線接收發(fā)射信號的表示方式，其采用的機率方法模型包括均勻分布模型、 高斯分布模型以及拉式分布模型。
6.一種多天線信道模擬方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 根據(jù)輸入的信道模擬參數(shù)建立一個多天線系統(tǒng)三維模型； 根據(jù)所述的信道模擬參數(shù)模擬出多天線三維系統(tǒng)的遠場場形； 獲取各天線在水平面上的遠場場形；根據(jù)各天線在水平面上的遠場場形產(chǎn)生各天線的水平角能量分布頻譜；根據(jù)各天線的水平角能量分布頻譜計算各天線之間的相關(guān)度；以及根據(jù)各天線的遠場場形以及各天線之間的相關(guān)度產(chǎn)生一個天線輸入輸出系統(tǒng)信道。
7.如權(quán)利要求6所述的多天線信道模擬方法，其特征在于，該方法還包括如下步驟 將輸入信號進行信號編碼以及信號調(diào)變；將調(diào)變信號輸入系統(tǒng)信道中進行信道模擬傳輸；將經(jīng)系統(tǒng)信道輸出的調(diào)變信號進行信號解碼以及信號逆調(diào)變；以及根據(jù)逆調(diào)變信號分析傳輸信號時的誤碼率。
8.如權(quán)利要求7所述的多天線信道模擬方法，其特征在于，所述的對輸入信號進行信 號編碼是采用時空編碼器。
9.如權(quán)利要求6所述的多天線信道模擬方法，其特征在于，所述的信道模擬參數(shù)包括 需要建立的天線數(shù)量、各天線的電磁場能量強度以及各天線之間的相關(guān)系數(shù)。
10.如權(quán)利要求6所述的多天線信道模擬方法，其特征在于，所述的水平角能量分布頻 譜是一種描述天線接收發(fā)射信號的表示方式，其采用的機率方法模型包括均勻分布模型、 高斯分布模型以及拉式分布模型。
全文摘要
一種多天線信道模擬系統(tǒng)及方法，該多天線信道模擬系統(tǒng)包括多天線模擬單元，用于根據(jù)從輸入設(shè)備輸入的相關(guān)參數(shù)建立一個多天線系統(tǒng)三維模型，模擬出多天線三維系統(tǒng)的遠場場形，以及獲取各天線在水平面上的遠場場形；天線相關(guān)度計算單元，用于根據(jù)各天線在水平面上的遠場場形產(chǎn)生各天線的水平角能量分布頻譜，以及根據(jù)各天線的水平角能量分布頻譜計算各天線之間的相關(guān)度；天線信道產(chǎn)生單元，用于根據(jù)各天線的遠場場形以及各天線之間的相關(guān)度產(chǎn)生多天線輸入輸出的系統(tǒng)信道。實施本發(fā)明，能夠模擬出復(fù)雜的多天線輸入輸出系統(tǒng)信道以及節(jié)約模擬多天線信道系統(tǒng)的成本，并能夠提供具有穩(wěn)定效能的信道模擬結(jié)果。
文檔編號H04B17/00GK101997623SQ20091030607
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者劉建宏, 白育彰, 許壽國, 謝博全, 陳俊仁 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司