基于非均勻散射體分布的信道建模方法及參數(shù)匹配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非均勻散射體分布的統(tǒng)計(jì)信道建模方法及基于信道建模的參數(shù)匹配方法，屬于無(wú)線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明基于改進(jìn)的信道模型實(shí)現(xiàn)，并引入了散射概率和有效散射體兩個(gè)物理概念，全面而又準(zhǔn)確靈活的描述各種具體環(huán)境下的傳播特性，準(zhǔn)確靈活方便地估計(jì)宏小區(qū)和微小區(qū)等移動(dòng)通信環(huán)境，有效的提高電磁信號(hào)波達(dá)角度、波達(dá)時(shí)間以及多普勒效應(yīng)等信道參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性?；诮⒌男诺滥Ｐ停景l(fā)明還能根據(jù)接收端的信道信息，按照信道的狀態(tài)合理分配天線和功率資源，從而能夠在不增加信道帶寬的情況下有效地達(dá)到信道的最大值，提高信道的資源利用效率。
【專利說明】基于非均勻散射體分布的信道建模方法及參數(shù)匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于非均勻散射體分布環(huán)境下的統(tǒng)計(jì)信道建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多輸入多輸出(MMO:Multiple Input Multiple Output)技術(shù)可以有效的利用空間和時(shí)間的分集作用，實(shí)現(xiàn)較為理想的鏈路性能。從物理本質(zhì)上說，利用不同通道之間的空間非相關(guān)性來復(fù)用相同的無(wú)線資源將大大提高系統(tǒng)的吞吐量，信道容量也隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下利用MIMO信道能夠成倍的提高無(wú)線信道容量。MMO將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。同傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)和僅在接收端采用多天線的系統(tǒng)相t匕，MMO信道既提供了功率增益，又可以提高自由度增益。
[0003]移動(dòng)通信都是通信產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的一部分，移動(dòng)通信的本質(zhì)是利用無(wú)線信道進(jìn)行信息的有效傳輸。移動(dòng)通信系統(tǒng)性能主要受到無(wú)線信道特性的制約?；?basestation,簡(jiǎn)稱BS)和移動(dòng)臺(tái)(mobile station,簡(jiǎn)稱MS)之間的傳播路徑一般分布有復(fù)雜的地形，其信道往往是非固定和不可預(yù)見的。多徑效應(yīng)是移動(dòng)通信信道中的小尺度衰落，是無(wú)線信道研究的主要內(nèi)容之一，因此建立一個(gè)準(zhǔn)確而有效的信道模型是構(gòu)建移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要步驟。Ertel.R和Petrus.B提出了散射體空間分布圓模型(GBSBM geometricallybased single bounce model)和捕圓模型(EBSBM:Ellipse based single bounce model)。仿真結(jié)果表明GBSBM模型能估計(jì)宏小區(qū)(Macrocell)移動(dòng)通信環(huán)境下重要的參數(shù)，EBSBM模型能估計(jì)微小區(qū)(Microcell)移動(dòng)通信環(huán)境下重要的信道參數(shù)。由于GBSBM和EBSBM模型的估計(jì)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，Jiang L等給出基于瑞利和指數(shù)(Exponential)分布的圓模型，其他研究人員提出了散射體高斯(Gaussian)分布的圓模型及空心圓環(huán)模型(HSDM:hollow-disc scatter density model)。
[0004]現(xiàn)有研究成果表明已有的散射體分布模型適合于室外Macrocell或Microcell或者室內(nèi)微微(Picrocell)小區(qū)移動(dòng)環(huán)境，而且沒有一種模型能全面而且準(zhǔn)確靈活地描述各種具體環(huán)境下的傳播特性，這些模型不足之處在于其散射體密度非均勻分布的假設(shè)來源于對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，而缺乏對(duì)該信道假設(shè)合理的物理解釋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種合理的綜合改進(jìn)空間統(tǒng)計(jì)信道建模方法，準(zhǔn)確靈活方便地估計(jì)宏小區(qū)和微小區(qū)等移動(dòng)通信環(huán)境，有效的提高電磁信號(hào)波達(dá)角度(Α0Α:angle of arrival)、波達(dá)時(shí)間(Τ0Α:time of arrival)以及多普勒效應(yīng)(DS:Dopplerspectrum)等信道參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。
[0006]由于在室內(nèi)室外環(huán)境中，復(fù)雜的環(huán)境會(huì)影響信道參數(shù)的變化，而且在室內(nèi)室外場(chǎng)景下信號(hào)傳播會(huì)有或多或少的阻擋，加重了多徑衰落效應(yīng)，從而使系統(tǒng)受到了極大的不確定性，影響我們對(duì)于信道的研究和分析。因此，我們不能簡(jiǎn)單地采取高斯分布以及指數(shù)分布分別去描述室外和室內(nèi)移動(dòng)通信環(huán)境。近年來，為了滿足無(wú)線通信領(lǐng)域中增大信道容量的需要，大量關(guān)于多天線MMO系統(tǒng)的研究也得到了提出，對(duì)于信道容量的研究，我們必須要以對(duì)其散射體分布情況的研究為前提。而在復(fù)雜通信環(huán)境中，很難判定是用散射體高斯分布還是指數(shù)分布去描述，此時(shí)，為了確保信道參數(shù)研究的準(zhǔn)確性，本發(fā)明中引入了散射概率(RP:refraction spectrum)和有效散射體(ES !effective scatter)兩個(gè)物理概念，全面而又準(zhǔn)確靈活的描述各種具體環(huán)境下的傳播特性。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于非均勻散射體分布的統(tǒng)計(jì)信道建模方法，基于改進(jìn)的信道模型實(shí)現(xiàn)，所述改進(jìn)的信道模型包括基站和移動(dòng)臺(tái)，所有散射體分布在以移動(dòng)臺(tái)為圓心的圓形散射區(qū)域內(nèi)，基站和移動(dòng)臺(tái)均落在散射體分布的區(qū)域內(nèi)，且所有散射體與移動(dòng)臺(tái)和基站在同一平面上，其中有效散射體為入射不被阻擋的散射體，且一個(gè)有效散射體只產(chǎn)生一條反射路徑；
[0009]建模方法具體包括如下步驟:
[0010]步驟一:令移動(dòng)臺(tái)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，BS和MS到散射體的距離分別為rb和rm，BS與散射體的連線和X軸的夾角為0b，MS與散射體的連線和X軸的夾角為0s;
[0011]步驟二:定義距離移動(dòng)臺(tái)rs處的散射體成為有效散射體的概率為:Hrs) = e-S其中，
【權(quán)利要求】
1.一種基于非均勻散射體分布的統(tǒng)計(jì)信道建模方法，基于改進(jìn)的信道模型實(shí)現(xiàn)，其特征在于:所述改進(jìn)的信道模型包括基站和移動(dòng)臺(tái)，所有散射體分布在以移動(dòng)臺(tái)為圓心的圓形散射區(qū)域內(nèi)，基站和移動(dòng)臺(tái)均落在散射體分布的區(qū)域內(nèi)，且所有散射體與移動(dòng)臺(tái)和基站在同一平面上，其中有效散射體為入射不被阻擋的散射體，且一個(gè)有效散射體只產(chǎn)生一條反javascript:addEmptyTags('img');射路徑；建模方法具體包括如下步驟: 步驟一:令移動(dòng)臺(tái)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，基站和移動(dòng)臺(tái)到散射體的距離分別為rb和rm基站與散射體的連線和X軸的夾角為Θ b，移動(dòng)臺(tái)與散射體的連線和X軸的夾角為 步驟二:定義距離移動(dòng)臺(tái)rs處的散射體成為有效散射體的概率為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非均勻散射體分布的統(tǒng)計(jì)信道建模方法，其特征在于:對(duì)于空間相關(guān)的MMO信道，信道矩陣H表示為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于非均勻散射體分布的統(tǒng)計(jì)信道建模方法，其特征在于:所述的步驟六中有效散射區(qū)域△ BEM加權(quán)面積和移動(dòng)臺(tái)的波達(dá)信號(hào)AOA概率密函數(shù)具體通過如下步驟計(jì)算: 步驟六-1，當(dāng)O≤Φ ^ Y時(shí)，有效散射區(qū)域ΛΒΕΜ加權(quán)面積為


4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于非均勻散射體分布的統(tǒng)計(jì)信道建模方法，其特征在于:所述步驟七中，計(jì)算移動(dòng)臺(tái)的波達(dá)信號(hào)TOA概率密度函數(shù)具體包括如下步驟: 步驟七-1，當(dāng)D / c ^ τ ^ (d+R) / c時(shí)，有效散射區(qū)域的加權(quán)面積與整體散射體區(qū)域的概率比為
5.一種信道模型的參數(shù)匹配方法，具體包括如下步驟: 步驟(1):建立改進(jìn)的信道模型，設(shè)置不同的空間信道參數(shù)，數(shù)值仿真信道容量，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，選取得到最大信道容量范圍時(shí)的散射體分布參數(shù)L和σ e、以及相應(yīng)的空間信道參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)； 步驟(2):測(cè)出信道的基本參數(shù)，所述信道符合改進(jìn)的信道模型，根據(jù)參數(shù)、通過基于非均勻散射體分布的統(tǒng)計(jì)信道建模方法計(jì)算MS的波達(dá)信號(hào)AOA概率密函數(shù)，利用matlab數(shù)據(jù)擬合，尋找出最優(yōu)的散射體分布參數(shù)L和σ e ; 步驟⑶:將步驟⑵中matlab數(shù)據(jù)擬合所得到的散射體分布參數(shù)L和σ e調(diào)入到步驟(I)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中，獲得合適的主瓣寬度α取值范圍； 步驟(4):將步驟(2)中得到的主瓣寬度α取值范圍中取若干個(gè)值代入到matlab中，對(duì)信道容量進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析出可以獲得最大信道容量最佳的主瓣寬度α ; 步驟(5):基站BS根據(jù)步驟(4)獲得的主瓣寬度α設(shè)置定向天線的夾角。
【文檔編號(hào)】H04W16/22GK103747455SQ201310739662
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】周杰, 江浩 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)