專利名稱：基于雙極化天線的lte mimo通信傳播信道建模方法
技術領域：
本發(fā)明涉及移動通信技術領域，具體是一種基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法。

背景技術：
LTE MIMO通信系統(tǒng)是在通信系統(tǒng)發(fā)射和接收兩端同時使多個天線，充分利用無線多徑信道的空間自由度提高系統(tǒng)容量與傳輸速率，以增加系統(tǒng)的復雜程度為代價換取更高的頻譜利用率，是在豐富的多徑環(huán)境中滿足不斷增長的容量需求的強有力的解決方案。
有效利用無線多徑信道的空間自由度，發(fā)掘傳播信道的資源是LTEMIMO通信系統(tǒng)物理設計的核心問題。天線是LTE MIMO通信系統(tǒng)直接面對傳播信道的部分，也是系統(tǒng)對空間自由度最敏感的部分。傳統(tǒng)的MIMO通信系統(tǒng)中，基站端往往利用間距很大的多天線陣列實現(xiàn)空間分集，其中天線單元結構為單線天線結構。隨著LTE MIMO技術的不斷發(fā)展，天線之間的間距也不斷減小，天線單元之間的耦合問題則變得越來越嚴重，制約了系統(tǒng)性能的提高。不同于空間LTE MIMO天線，多極化天線利用位于同一位置的多個天線單元，充分利用電磁波的多個場分量的信息，極大幅度地提高有限空間內的自由度，獲得與空間LTE MIMO天線類似的增益。
目前，對于如何在不增加LTE MIMO通信系統(tǒng)空間復雜度的情況下，提高LTE MIMO通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量與傳輸速率的解決方案，主要集中在有效編碼和優(yōu)化天線單元間的拓撲結構等方面。這些優(yōu)化需要對LTE MIMO通信傳播信道模型進行研究而做出，而目前還沒有基于雙極化天線的LTEMIMO通信傳播信道建模方法。


發(fā)明內容
有鑒于此，為了解決上述問題，為此，本發(fā)明提出一種基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，以建立以LTE MIMO通信系統(tǒng)的信道矩陣與極化失配功率為主的模型，供優(yōu)化研究使用。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，在LTE MIMO通信系統(tǒng)中，基站發(fā)射端的發(fā)射天線和移動接收端的接收天線均采用雙極化天線陣列，所述雙極化天線由多個雙極化天線單元構成，所述雙極化天線單元由第一線天線和第二線天線構成，所述建模方法包括如下步驟 將基站發(fā)射端發(fā)射的信號通過LTE MIMO通信傳播信道傳送到移動接收端，所述LTE MIMO通信傳播信道為雙極化天線傳播信道； 獲得發(fā)射天線和接收天線中雙極化天線單元的復響應； 獲得LTE MIMO通信傳播信道的復響應； 通過發(fā)射天線和接收天線的復響應以及LTE MIMO通信傳播信道的復響應獲得LTE MIMO通信系統(tǒng)的信道矩陣并導出。
進一步，所述發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應通過如下方法獲得 測得第一線天線的傾斜角α； 測得發(fā)射天線的去波角θ或接收天線的來波角θ； 測得發(fā)射天線或接收天線的天線增益G(θ)； 通過下式算得發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應
進一步，所述發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應通過如下方法獲得 測得第一線天線的傾斜角α； 測得發(fā)射天線的去波角θ或接收天線的來波角θ； 測得發(fā)射天線或接收天線增益G(θ)； 測得第一線天線的自阻抗Z11、第二線天線的自阻抗Z22、第一線天線與第二線天線之間的互阻抗Z12、第二線天線與第一線天線之間的互阻抗Z21、發(fā)射天線或接收天線的負載阻抗ZL； 通過下式計算第一天線與第二天線的互耦矩陣 通過下式算得發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應
進一步，通過如下方法獲得LTE MIMO通信傳播信道的復響應 測得第nth傳播路徑中垂直-垂直(v-v)共極化場分量的平均功率pv-v； 測得第nth傳播路徑中垂直-水平(v-h)交叉極化場分量的平均功率pv-h； 測得第nth傳播路徑中水平-水平(h-h)共極化場分量的平均功率ph-h； 測得第nth傳播路徑中水平-垂直(h-v)交叉極化場分量的平均功率ph-v； 通過下式算得LTE MIMO通信傳播信道的復響應
式中， 進一步，所述LTE MIMO通信系統(tǒng)的信道矩陣通過如下方法獲得 計算第nth傳播路徑復響應函數(shù)Hu，s，n(t)
式中

為第sth元發(fā)射天線雙極化天線單元的復響應；

為第sth元接收天線雙極化天線單元的復響應；

為LTE MIMO通信傳播信道的復響應； φsBS為發(fā)射天線各雙極化天線單元間的相位差； φuMS為接收天線各雙極化天線單元間的相位差； φDoppler為多普勒頻移造成的相位差； Pn，m為第nth傳播路徑中每條子路徑的功率； 對于一個S×U的LTE MIMO通信系統(tǒng)，計算其第nth傳播路徑的信道矩陣Hn(t)
進一步，第nth傳播路徑中每條子路徑的功率Pn，m通過下式算得 其中Pn為第nth傳播路徑的功率；σSF為對數(shù)正態(tài)分布陰影衰落；M為第nth傳播路徑中子路徑數(shù)目； 所述發(fā)射天線各雙極化天線單元間的相位差φsBS通過下式算得 其中，ds為發(fā)射天線第sth個雙極化天線單元到第1th個雙極化天線單元的距離，其中d1＝0； 接收天線各雙極化天線單元間的相位差φuMS通過下式算得 其中，du移動端接收天線第uth個天線單元到第1th個天線單元的距離，其中d1＝0。
多普勒頻移造成的相位差φDoppler通過下式算得 φDoppler＝k||v||cos(θn，m，AoA-θv)t 其中||v||為移動端速率

的幅度值；θv為移動端(MS)速率

的方位角； 進一步，還包括導出LTE MIMO通信傳播信道極化失配功率的步驟，其中第nth傳播路徑平均極化失配功率Lp為 式中，Lpn為第nth傳播路徑極化功率失配因子，計算方法如下
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有如下優(yōu)點全面考慮了信號出發(fā)角、到達角、安裝誤差及天線損耗變形造成的互耦影響、移動端運動造成的多普勒頻移、天線單元的初始相位差等因素，能準確反映各因素對基于雙極化天線的LTEMIMO通信傳播信道的性能影響，利于對基于雙極化天線的LTE MIMO通信系統(tǒng)的優(yōu)化研究。
本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標，和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。



為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述 圖1示出了雙極化天線單元的結構示意圖； 圖2示出了基于雙極化天線的LTE MIMO通信信道模型圖； 圖3發(fā)射端和接收端雙極化天線模型圖。

具體實施例方式 以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
對于一個S×U的LTE MIMO通信系統(tǒng)，發(fā)射天線為由S個雙極化天線單元構成的天線陣列，接收天線為由U個雙極化天線單元構成的天線陣列，如圖2所示，所述雙極化天線單元由第一線天線1和第二線天線2構成，如圖1所示；則第nth傳播路徑的信道矩陣Hn(t)為U×S的矩陣。
基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法包括如下步驟 1)將基站發(fā)射端發(fā)射的信號通過LTE MIMO通信傳播信道傳送到移動接收端，所述LTE MIMO通信傳播信道為雙極化天線傳播信道； 2)獲得發(fā)射天線和接收天線中雙極化天線單元的復響應，具體包括如下步驟 21)測得發(fā)射天線的傾斜角αBS、發(fā)射天線的雙極化天線單元間的耦合矩陣CBS及第nth傳播路徑的第mth傳播子路徑的出發(fā)角θn，m，AoD，求解第sth元發(fā)射天線雙極化天線單元的復響應
22)根據(jù)接收天線的傾斜角αMS、接收天線的雙極化天線單元間的耦合矩陣CMS及第nth傳播路徑的第mth傳播子路徑的到波角θn，m，AoA，求解第uth元接收雙極化天線單元的復響應
考慮到安裝誤差及使用時間久了后天線結構變形，共點安裝的雙極化天線兩線天線間存在互耦影響，所以本實施例中的雙極化天線單元的復響應的計算中加入一耦合矩陣，所述雙極化天線單元間的通過如下方法獲得測得第一線天線的自阻抗Z11、第二線天線的自阻抗Z22、第一線天線與第二線天線之間的互阻抗Z12、第二線天線與第一線天線之間的互阻抗Z21、發(fā)射天線或接收天線的負載阻抗ZL； 通過下式計算互耦矩陣 3)考慮到接收天線和發(fā)射天線采用雙極化天線陣列，存在水平極化和垂直極化信號，這兩種極化信號具有不同的傳播特性，因此采用如下方法獲得LTEMIMO通信傳播信道的復響應 測得第nth傳播路徑中垂直-垂直(v-v)共極化場分量的平均功率pv-v； 測得第nth傳播路徑中垂直-水平(v-h)交叉極化場分量的平均功率pv-h； 測得第nth傳播路徑中水平-水平(h-h)共極化場分量的平均功率ph-h； 測得第nth傳播路徑中水平-垂直(h-v)交叉極化場分量的平均功率ph-v； 通過下式算得LTE MIMO通信傳播信道的復響應
式中， Φn，m(x，y)表示第nth傳播路徑中第mth傳播子路徑在基站端元天線的x分量(水平分量或垂直分量)與移動終端元天線的y分量(水平分量或垂直分量)間的相位偏移量。j為虛數(shù)單位。
XPDv為第nth傳播路徑中垂直-垂直(v-v)共極化場分量的平均功率pv-v與垂直-水平(v-h)交叉極化場分量的平均功率pv-h之比，即
XPDh為第nth傳播路徑中水平-水平(h-h)共極化場分量的平均功率ph-h與水平-垂直(h-v)交叉極化場分量的平均功率ph-v之比，即
4)通過發(fā)射天線和接收天線的復響應以及LTE MIMO通信傳播信道的復響應獲得LTE MIMO通信系統(tǒng)的信道矩陣并導出；具體地 41)考慮到當移動端以速率

運動時，信號在傳播過程中存在多普勒頻移，計算多普勒頻移造成的相位差如下 φDoppler＝k||v||cos(θn，m，AoA-θv)t； 其中||v||為移動端(MS)速率

的幅度值；θv為移動端(MS)速率

的方位角；k為相位常數(shù)。
42)考慮到基站端(BS)發(fā)射天線采用的是直線陣，故各雙極化天線單元間存在初始相位差，計算如下 其中，ds為發(fā)射天線第sth個雙極化天線單元到第1th個雙極化天線單元的距離，其中d1＝0；k為相位常數(shù)。
42)考慮到移動端(MS)接收天線采用的是直線陣，故各雙極化天線單元間存在初始相位差，計算如下 其中，du移動端(MS)接收天線第uth個天線單元到第1th個天線單元的距離，其中d1＝0；k為相位常數(shù)。
43)第nth傳播路徑中每條子路徑的功率Pn，m通過下式算得 其中Pn為第nth傳播路徑的功率；σSF為對數(shù)正態(tài)分布陰影衰落；M為第nth傳播路徑中子路徑數(shù)目； 44)綜合以上各項，第sth元發(fā)射天線單元與第uth元接收天線單元的第nth傳播路徑的復響應函數(shù)為
45)S×U的LTE MIMO通信系統(tǒng)中，第nth傳播路徑的信道矩陣Hn(t)為
5)還導出LTE MIMO通信傳播信道極化失配功率，其中第nth傳播路徑平均極化失配功率Lp為 式中，Lpn為第nth傳播路徑極化功率失配因子，計算方法如下
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，其特征在于在LTE MIMO通信系統(tǒng)中，基站發(fā)射端的發(fā)射天線和移動接收端的接收天線均采用雙極化天線陣列，所述雙極化天線由多個雙極化天線單元構成，所述雙極化天線單元由第一線天線和第二線天線構成，所述建模方法包括如下步驟
將基站發(fā)射端發(fā)射的信號通過LTE MIMO通信傳播信道傳送到移動接收端，所述LTE MIMO通信傳播信道為雙極化天線傳播信道；
獲得發(fā)射天線和接收天線中雙極化天線單元的復響應；
獲得LTE MIMO通信傳播信道的復響應；
通過發(fā)射天線和接收天線的復響應以及LTE MIMO通信傳播信道的復響應獲得LTE MIMO通信系統(tǒng)的信道矩陣并導出。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，其特征在于所述發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應通過如下方法獲得
測得第一線天線的傾斜角α；
測得發(fā)射天線的去波角θ或接收天線的來波角θ；
測得發(fā)射天線或接收天線的天線增益G(θ)；
通過下式算得發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應
3.根據(jù)權利要求1所述的基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，其特征在于所述發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應通過如下方法獲得
測得第一線天線的傾斜角α；
測得發(fā)射天線的去波角θ或接收天線的來波角θ；
測得發(fā)射天線或接收天線增益G(θ)；
測得第一線天線的自阻抗Z11、第二線天線的自阻抗Z22、第一線天線與第二線天線之間的互阻抗Z12、第二線天線與第一線天線之間的互阻抗Z21、發(fā)射天線或接收天線的負載阻抗ZL；
通過下式計算第一天線與第二天線的互耦矩陣
通過下式算得發(fā)射天線或接收天線中雙極化天線單元的復響應
4.根據(jù)權利要求1所述的基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，其特征在于通過如下方法獲得LTE MIMO通信傳播信道的復響應
測得第nth傳播路徑中垂直-垂直(v-v)共極化場分量的平均功率pv-v；
測得第nth傳播路徑中垂直-水平(v-h)交叉極化場分量的平均功率pv-h；
測得第nth傳播路徑中水平-水平(h-h)共極化場分量的平均功率ph-h；
測得第nth傳播路徑中水平-垂直(h-v)交叉極化場分量的平均功率ph-v；
通過下式算得LTE MIMO通信傳播信道的復響應
式中，
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，其特征在于所述LTE MIMO通信系統(tǒng)的信道矩陣通過如下方法獲得
計算第nth傳播路徑復響應函數(shù)Hu，s，n(t)
式中
為第sth元發(fā)射天線雙極化天線單元的復響應；
為第sth元接收天線雙極化天線單元的復響應；
為LTE MIMO通信傳播信道的復響應；
φsBS為發(fā)射天線各雙極化天線單元間的相位差；
φnMS為接收天線各雙極化天線單元間的相位差；
φDoppler為多普勒頻移造成的相位差；
Pn，m為第nth傳播路徑中每條子路徑的功率；
對于一個S×U的LTE MIMO通信系統(tǒng)，計算其第nth傳播路徑的信道矩陣Hn(t)
6.根據(jù)權利要求5所述的基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，其特征在于第nth傳播路徑中每條子路徑的功率Pn，m通過下式算得
其中Pn為第nth傳播路徑的功率；σSF為對數(shù)正態(tài)分布陰影衰落；M為第nth傳播路徑中子路徑數(shù)目；
所述發(fā)射天線各雙極化天線單元間的相位差φsBS通過下式算得
其中，ds為發(fā)射天線第sth個雙極化天線單元到第1th個雙極化天線單元的距離，其中d1＝0；
接收天線各雙極化天線單元間的相位差φnMS通過下式算得
其中，du移動端(MS)接收天線第uth個天線單元到第1th個天線單元的距離，其中d1＝0。
多普勒頻移造成的相位差φDoppler通過下式算得
φDoppler＝k||v||cos(θn，m，AoA-θv)t
其中||v||為移動端(MS)速率
的幅度值；θv為移動端(MS)速率
的方位角。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，其特征在于還包括導出LTE MIMO通信傳播信道極化失配功率的步驟，其中第nth傳播路徑平均極化失配功率Lp為
式中，Lpn為第nth傳播路徑極化功率失配因子，計算方法如下
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于雙極化天線的LTE MIMO通信傳播信道建模方法，以建立LTE MIMO通信系統(tǒng)的傳播信道模型，供優(yōu)化研究使用，在LTE MIMO通信系統(tǒng)中，基站發(fā)射端的發(fā)射天線和移動接收端的接收天線均采用雙極化天線陣列，所述雙極化天線由多個雙極化天線單元構成，所述雙極化天線單元由第一線天線和第二線天線構成，所述建模方法包括如下步驟將基站發(fā)射端發(fā)射的信號通過LTE MIMO通信傳播信道傳送到移動接收端，所述LTE MIMO通信傳播信道為雙極化天線傳播信道；獲得發(fā)射天線和接收天線中雙極化天線單元的復響應；獲得LTE MIMO通信傳播信道的復響應；通過發(fā)射天線和接收天線的復響應以及LTE MIMO通信傳播信道的復響應獲得LTE MIMO通信系統(tǒng)的信道矩陣并導出。
文檔編號H04B7/04GK101789812SQ20101004206
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權日2010年1月15日
發(fā)明者尹波, 張祖凡, 劉湘梅, 邵建興 申請人:重慶郵電大學