本發(fā)明屬于信道建模和信道模擬器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、在新的通信系統(tǒng)商用之前，需要在相應(yīng)的環(huán)境中對其性能進(jìn)行實測驗證。雖然可以在不同地點對系統(tǒng)進(jìn)行外場測試，但該方法成本較高，而且容易受到周圍環(huán)境的影響。此外，仿真結(jié)果的對比分析難以再現(xiàn)真實外場的傳播條件。一種更實用的方法是為信道創(chuàng)建合適且穩(wěn)定的仿真環(huán)境，然后在這些環(huán)境中評估通信系統(tǒng)的性能。信道模擬器能夠可控、可重復(fù)地模擬信道環(huán)境，可用于通信系統(tǒng)的一致性測試、性能測試和互操作性測試等。這意味著不需要外場測試，時間和成本效率可以大大提高。目前由于基于抽頭延時線(tapped-delay-line，tdl)架構(gòu)的多輸入多輸出(multiple-input?multiple-output，mimo)信道模擬器資源消耗高，而適用于高階mimo的頻域處理信道模擬器尚不支持高計算復(fù)雜度的非平穩(wěn)幾何隨機信道模型，缺少非平穩(wěn)幾何隨機信道模型的預(yù)處理算法來降低其計算復(fù)雜度，從而將其應(yīng)用在基于頻域處理的大規(guī)模mimo信道模擬器上。

2、綜上所述，當(dāng)前建立一種使用非平穩(wěn)幾何隨機信道模型的低復(fù)雜度mimo信道模擬器是非常必要的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，借助幾何隨機信道模型進(jìn)行高精度mimo信道模擬，用以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測試移動場景下的大規(guī)模mimo通信系統(tǒng)，解決了基于幾何隨機信道模型的信道模擬器需計算大量時變子徑參數(shù)的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

3、一種基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：

4、步驟s1、基于普適幾何隨機信道模型，在上位機配置信道模型中的環(huán)境及收發(fā)端天線基本參數(shù)；

5、步驟s2、基于普適幾何隨機信道模型生成三維空時頻非平穩(wěn)信道傳輸函數(shù)；

6、步驟s3、將信道傳輸函數(shù)投影到由線性調(diào)頻chirp信號張成的子空間上，獲取一組chirp信號基參數(shù)；

7、步驟s4、將步驟s3獲取的基參數(shù)發(fā)送并存儲到現(xiàn)場可編程門陣列fpga上，在fpga上由chirp信號疊加得到重構(gòu)的信道傳輸函數(shù)；

8、步驟s5、根據(jù)步驟s4重構(gòu)的信道傳輸函數(shù)對mimo信道模擬器輸入信號進(jìn)行頻域處理；

9、步驟s6、驗證重構(gòu)信道與原始信道的信道傳輸函數(shù)、多普勒功率譜密度和時延功率譜密度的一致性。

10、2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟s1具體包括：

11、在上位機配置的環(huán)境及收發(fā)端天線基本參數(shù)包括仿真時間、時間采樣間隔、載波頻率、信道帶寬、頻率采樣間隔、收發(fā)端初始位置坐標(biāo)、收發(fā)端移動速度、收發(fā)端雙簇中心位置坐標(biāo)、收發(fā)端雙簇移動速度、收發(fā)端雙簇的生滅率、收發(fā)端天線數(shù)目與天線間隔、收發(fā)端天線方位角與俯仰角。

12、3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟s2具體包括：

13、步驟s201、計算發(fā)端第p個天線單元的初始位置坐標(biāo)：

14、

15、其中，為發(fā)端第一個天線單元初始位置坐標(biāo)，δt為發(fā)端天線間隔，和為發(fā)端天線方位角與俯仰角；計算收端第q個天線單元的坐標(biāo)；

16、

17、其中，為收端第一個天線單元初始位置坐標(biāo)，δr為收端天線間隔，和為收端天線方位角與俯仰角；

18、步驟s202、生成散射體位置坐標(biāo)，散射體位置坐標(biāo)(x′，y′，z′)以收發(fā)端雙簇中心為笛卡爾坐標(biāo)原點服從橢球高斯分布，散射體位置坐標(biāo)(x′，y′，z′)的聯(lián)合概率密度為：

19、

20、其中，σas表示簇方位角擴展，σes表示簇俯仰角擴展，σds表示簇時延擴展；第n個發(fā)端簇中第m個散射體相對于發(fā)端第一個天線單元的笛卡爾坐標(biāo)由下式坐標(biāo)變換得到：

21、

22、其中，為發(fā)端n個簇中心的球面坐標(biāo)；

23、第n個收端簇中第m個散射體相對于收端第一個天線單元的笛卡爾坐標(biāo)由下式坐標(biāo)變換得到：

24、

25、其中，為收端n個簇中心的球面坐標(biāo)；

26、步驟s203、計算收發(fā)端各天線單元之間多徑傳播距離與時延，基于收發(fā)端天線單元初始坐標(biāo)與移動速度、雙簇中散射體的初始坐標(biāo)與簇的移動速度，獲得t時刻第p個發(fā)端天線單元到第n個簇中第m個散射體距離，計算方式表示為：

27、

28、其中，和分別為發(fā)端簇的移動速度和發(fā)端天線的移動速度；獲得t時刻第q個收端天線單元到第n個簇中第m個散射體距離，計算方式表示為：

29、

30、其中，和分別為收端簇的移動速度和收端天線的移動速度；收發(fā)端各天線單元之間多徑傳播產(chǎn)生的子徑時延的計算方式為：

31、

32、其中，c為光速，為收發(fā)端雙簇之間的距離，τlink為服從指數(shù)分布的虛擬鏈路時延；

33、步驟s204、根據(jù)步驟s203中求出的子徑時延，生成各子徑的功率，計算方式表示為：

34、

35、其中，fc為載波頻率，ds為時延擴展，rτ和γ分別為依賴于時延和頻域的因子；

36、步驟s205、根據(jù)步驟s203和步驟s204中求出的子徑時延和子徑功率，生成信道傳輸函數(shù)，計算方式為：

37、

38、其中，fc為載波頻率，nqp(t)和mn(t)分別為簇的數(shù)目和簇內(nèi)散射體的數(shù)目；根據(jù)仿真時間、信道帶寬、天線陣列大小，基于收發(fā)端雙簇在空時頻域的生滅率，確定存活的簇的索引，并根據(jù)步驟s202計算隨天線單元區(qū)間、時間區(qū)間、頻率區(qū)間變化而新生成的簇的位置信息，再根據(jù)步驟s203和步驟s204中求出對應(yīng)簇的子徑時延和子徑功率，進(jìn)而根據(jù)步驟s205計算得到隨空時頻演化更新的非平穩(wěn)信道傳輸函數(shù)。

39、4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟s3具體包括：

40、步驟s301、當(dāng)收發(fā)端與雙簇以固定的速度大小和方向運動時，步驟s203中的距離計算近似為：

41、

42、其中，為發(fā)端簇固定速度，為發(fā)端天線固定速度，為發(fā)端第一個天線單元到發(fā)端第n個簇中第m個散射體的初始距離，和為取決于天線陣列、移動速度與散射體的角度參數(shù)；

43、

44、其中，為收端簇固定速度，為收端天線固定速度，為收端第一個天線單元到收端第n個簇中第m個散射體的初始距離，和為取決于天線陣列、移動速度與散射體的角度參數(shù)；

45、步驟s302、根據(jù)步驟s301中的近似計算關(guān)系，代入步驟s204，得到mimo信道的信道傳輸函數(shù)近似計算為：

46、

47、其中，l(t)＝max{nqp(t)·mn(t)}，ηqp，l，ξqp，l，tqp，l，aqp，l，bqp，l均為常數(shù)因子；j為虛部單位；l為求和下標(biāo)索引；信道模型的多普勒頻率近似計算方式表示為：

48、

49、dt為微分符號，t和r分別為發(fā)端和收端上標(biāo)。

50、步驟s303、根據(jù)步驟s302中的近似關(guān)系，所述信道模型的多普勒頻率由線性時變函數(shù)近似，信道傳輸函數(shù)由多個chirp信號的線性組合得到；于是由chirp信號作為基函數(shù)構(gòu)造k維子空間，k＜＜l(t)；k維子空間的第k個基函數(shù)表示為：

51、

52、其中，αk表示初始頻率，βk表示chirp率；根據(jù)步驟s302中的近似關(guān)系，考慮發(fā)端靜止、收端運動的情況下，αk和βk的取值范圍表示為：

53、

54、

55、從而αk和βk的取值由信道模型中近似線性時變多普勒頻率對應(yīng)系數(shù)的統(tǒng)計分布取得；

56、步驟s304、確定信道傳輸函數(shù)在步驟s303中基函數(shù)上的投影系數(shù)；考慮mimo信道中任一子信道，將不同頻點的信道衰落表示為：

57、h＝[h(t，f1)，h(t，f2)，…，h(t，fi)]

58、其中，h(t，fi)，i＝1，2，…，i為mimo子信道的h(t，f)在頻點fi上的采樣值；

59、將步驟s303中子空間的基函數(shù)表示為：

60、ψ＝[b1(t)，b2(t)，…，bk(t)]

61、其中，bk(t)，k＝1，2，…，k為步驟s303中的基函數(shù)；

62、設(shè)ψ由矩陣g正交化為矩陣φ，即φ＝ψ·g，其中g(shù)表示為：

63、其中，

64、<，>表示內(nèi)積運算，bk(t)為ψ的第k個列向量，gj(t)為φ的第j個列向量；h在φ上的投影x表示為：

65、

66、xji為x的第j行第i列元素；于是，信道衰落h在chirp基函數(shù)ψ上的投影a表示為：

67、a＝g·x。

68、4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟s4具體包括：

69、將步驟s303和步驟s304中基于子空間投影的信道矩陣預(yù)處理結(jié)果發(fā)送并存儲到fpga，從而由這組基參數(shù)在時間窗口tw內(nèi)進(jìn)行信道傳輸函數(shù)重構(gòu)，計算方式表示為：

70、

71、其中，為重構(gòu)的信道傳輸函數(shù)，即

72、

73、其中，ak(fi)為a的第k行第i列元素，t0為信道模擬初始時刻，tw為信道模擬持續(xù)時長；于是，在fpga上由時分chirp信號疊加的方式完成低復(fù)雜度的信道傳輸函數(shù)計算。

74、5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟s5具體包括：

75、步驟s501、從步驟s4計算所得的信道傳輸函數(shù)中獲取在信道時間采樣間隔tch內(nèi)的信道頻率響應(yīng)hqp(fi)；根據(jù)信道模型中預(yù)定義的信道帶寬和頻率采樣間隔，實際得到的信道頻率響應(yīng)為離散的hqp(m)；

76、步驟s502、從輸入信號流sp(n)中取出ns點信號sp，i(n)放入緩存，ns計算方式表示為：

77、ns＝nh-na

78、其中，nh為信道頻率響應(yīng)點數(shù)，表示向下取整，τm＝max{τ|hqp(t，τ)≥0}，h(t，τ)表示信道沖激響應(yīng)，為信道傳輸函數(shù)hqp(t，f)的關(guān)于f的逆傅里葉變換；

79、步驟s503、在緩存中ns點的輸入信號sp，i(n)后補na個零并進(jìn)行快速傅里葉變換fft，得到點數(shù)為nh的輸入信號頻譜sp，i(m)；于是p×qmimo信道模擬器的第q路輸出信號頻譜表示為：

80、

81、步驟s504、對rq，i(m)進(jìn)行nh點的逆快速傅里葉變換ifft，得到q路輸出信號rq，i(n)；采用重疊相加法，信道模擬器的第q路連續(xù)輸出信號流表示為

82、

83、步驟s505、根據(jù)步驟s4，刷新信道頻率響應(yīng)hqp(m)，并重復(fù)步驟s501-s504；信道更新時間tch，即信道時間采樣間隔，計算方式表示為：

84、tch＝ns·ts

85、其中，ts為輸入信號采樣周期。

86、6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟s6具體包括：

87、步驟s601、基于子空間重構(gòu)的信道傳輸函數(shù)與基于幾何隨機信道模型的信道傳輸函數(shù)之間的平均誤差，計算方式表示為：

88、

89、其中，b表示信道帶寬，h(t，f)和分別表示基于幾何隨機信道模型的信道傳輸函數(shù)和基于子空間重構(gòu)的信道傳輸函數(shù)；df為微積分運算符。

90、步驟s602、多普勒功率譜密度為時間自相關(guān)函數(shù)的短時傅里葉變換，計算方式表示為：

91、sqp(t，v)＝∫rqp(t，δt)w(t-δt)e-j2πvδtdδt

92、其中，rqp(t，δt)表示信道傳輸函數(shù)在零頻點的時間自相關(guān)函數(shù)，w(t-δt)表示時間窗函數(shù)；

93、步驟s603、時延功率譜密度為頻率相關(guān)函數(shù)的逆傅里葉變換，也是信道沖激響應(yīng)模的平方，計算方式表示為：

94、sqp(t，τ)＝∫rqp(t，δf)ej2πτδfdδf＝||hqp(t，τ)||2

95、其中，rqp(t，δf)表示信道傳輸函數(shù)的頻率相關(guān)函數(shù)，hqp(t，τ)表示信道時變沖激響應(yīng)。

96、本發(fā)明的一種基于子空間重構(gòu)的非平穩(wěn)信道模擬器設(shè)計方法，具有以下優(yōu)點：本發(fā)明提出了一種將時域非平穩(wěn)衰落序列投影到由chirp信號張成的子空間上的非平穩(wěn)幾何隨機信道模型預(yù)處理方法，從而在fpga上由一組基參數(shù)進(jìn)行信道重構(gòu)，解決了基于幾何隨機信道模型的信道模擬器需計算大量時變子徑參數(shù)的問題；進(jìn)一步地，本發(fā)明提出了基于子空間重構(gòu)與頻域處理的非平穩(wěn)mimo信道模擬器，首先對非平穩(wěn)幾何隨機信道模型計算所得的信道傳輸函數(shù)進(jìn)行子空間投影預(yù)處理，然后在fpga上由子空間投影獲取的基參數(shù)進(jìn)行信道傳輸函數(shù)重構(gòu)，從而由重構(gòu)的信道傳輸函數(shù)對信道模擬器輸入信號進(jìn)行基于頻域處理的信道施加，解決了傳統(tǒng)的tdl架構(gòu)下大規(guī)模mimo信道模擬器資源消耗大的問題。本發(fā)明提出的信道模擬器可用以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測試移動場景下的大規(guī)模mimo通信系統(tǒng)。