一种模拟耦合多天线室内空间衰落信道传播特性的方法

摘要

本发明公开了一种模拟耦合多天线室内空间衰落信道传播特性的方法，包括以下步骤：(1)生成随机分布的第l簇发射角与接收角；(2)生成服从拉普拉斯分布的发射端与接收端的第l簇内第k条子径的发射偏移角与接收偏移角；生成发射端第l簇第k子径的发射角；(3)生成接收端第l簇内第k子径的到达角；(4)生成服从瑞利分布的每条子径的振幅；生成服从[0,2π]均匀分布的每条子径的相位；(5)生成对数正态阴影衰落数值化的随机变量；(6)结合天线布局生成各天线的导向向量；(7)生成整个紧耦合MIMO系统的信道传输矩阵。本发明充分考虑室内传播环境中大尺度阴影衰落和阵元电磁耦合效应的影响，准确地模拟和评估室内MIMO多天线传输系统的信道特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟耦合多天线室内空间衰落信道传播特性的方法，尤其适用于综合考虑对数正态阴影效应、小尺度衰落以及天线电磁耦合效应的复杂室内多天线无线通信场景。

背景技术

无线电信号在室内传播过程中极容易受障碍物的影响而产生各种反射、折射、衍射等物理现象，从而导致接收端接收的电信号是存在大量时间扩展和角度扩展的衰落信号。根据经典空间衰落信号的传输特性，衰落主要包括小尺度衰落(Small-scall Fading)和大尺度衰落(Large-scale Fading)。

SVA(Saleh-Valenzuela AOA/AOD)信道模型是一种典型的室内信道模型，虽然该模型能够有效地反应无线信号在室内环境中的传播特征，但它主要是从小尺度衰落的角度分析了室内衰落信道的多径传播特性，并未考虑室内环境中传播时依然存在的大尺度衰落(Large-scale Fading)影响，尤其是大尺度衰落中的阴影效应或者说阴影衰落的影响。

大尺度衰落主要包括路径损耗和阴影衰落。无线信号的路径损耗是关于传播距离的函数，由于在室内环境下无线信号的传播距离一般较短，因此在研究室内信道时可以忽略路径损耗的影响。而无线信号的阴影衰落是由传播环境中多个障碍物阻挡所造成的阴影效应导致的，由于室内环境中的障碍物一般较多，如墙、壁橱、货架、门窗等，因此，在研究室内信道时理应考虑阴影效应的影响。

此外，大规模多天线传输技术在新一代无线通信系统中的广泛应用，使得不论发射端还是接收机端都存在于非常小的空间尺寸上需配置众多数量天线的问题，这将无可避免地产生阵元间的电磁耦合效应；已有的理论研究显示，电磁耦合效应对MIMO(MultipleInput Multiple Output)系统的性能将产生极大影响。故而在无线传输信道的模拟过程中必须充分考虑这一新的影响因素。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种模拟耦合多天线室内空间衰落信道传播特性的方法，该方法充分考虑了室内传播环境中大尺度阴影衰落和阵元电磁耦合效应的影响，更加准确地模拟和评估室内MIMO多天线传输系统的信道特性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种模拟耦合多天线室内空间衰落信道传播特性的方法，包括以下步骤：

(1)利用matlab中rand函数生成在(0,360)范围内随机分布的第l簇发射角

(2)簇内子径的发射偏移角和接收偏移角服从拉普拉斯分布，因此利用拉普拉斯逆变换生成第l簇内第k条子径的发射偏移角与接收偏移角将第l簇发射角与第l簇内第k条子径的发射偏移角相加，即生成发射端第l簇第k子径的发射角；

(3)根据步骤(1)、(2)的方法生成接收端第l簇内第k子径的到达角为

(4)先利用matlab中randn函数生成两组不相关高斯随机序列，再将其平方和开方生成服从瑞利分布的每条子径的振幅β_k,l；利用matlab中rand函数生成服从[0,2π]均匀分布的每条子径的相位θ_k,l；

(5)生成对数正态阴影衰落数值化的随机变量X；

(6)导入电磁仿真HFSS软件仿真得到阵列各阵元的远场辐射增益结合天线布局生成各天线的导向向量；

(7)综合簇发射角接收角发射子径振幅β_k,l、相位θ_k,l、阴影衰落参数X得到信道系数，进而生成整个紧耦合MIMO系统的信道传输矩阵，用于衡量信道传输特性。

步骤(6)中，结合天线布局生成各天线的导向向量的方法如下：

每簇及簇内子径的到达时间的概率密度统计均服从条件指数分布，表达式如下：

上式中，T_l是第l簇内第一条射线的到达时间，τ_k,l是第l簇内第k条射线的到达时间；Λ和λ则分别为簇到达率及射线到达率；

对无线信号的发射角AOD和到达角AOA进行建模，则模型的信道冲激响应表达式表示为：

式中，L为簇的数量，K为簇内子径数量，τ_l为第l簇的到达时间，τ_k,l为第l簇内第k条子径相对于τ_l的到达时间，β_k,l为第l簇内第k条子径的复增益系数，θ^T为发射机的发射角；|β_k,l|表示第l簇内第k条子径的衰落幅度，服从瑞利分布，其概率密度函数如式(4)所示,且指第l簇、第k条子径的平均功率；θ_k,l表示第l簇内第k条子径的相位，且均匀分布在[0,2π]上；θ^R为接收机的到达角，为第l簇的平均发射角，为第l簇的平均到达角，为第l簇内第k条子径相对于的发射角，为第l簇内第k条子径相对于的到达角；δ(x)是冲激函数

当发射端采用全向天线且接收端采用定向天线时，子径AOA服从双边拉普拉斯分布；同时，平均簇AOA相互独立并且同服从于[0,2π]上的均匀分布；当发射端与接收端具有相同的系统结构时，AOA和AOD的分布是相同的，在室内信道中，发射端与接收端具有对称性，则发射端与接收端子径的AOA/AOD均服从0均值、标准差为σ_P的双边拉普拉斯分布，记为表达式如下所示：

上式中的角度标准差σ_P以弧度表示，是相较于而言的，因此具有0均值；

对(3)式的时延分量进行积分得：

改进型SVA模型的信道冲激响应由式(6)改写为：

式中，X是对数正态随机变量；

SVA模型在MIMO系统中第n根发射天线与第m根接收天线之间的信道系数，即：

上述表达式中，其中，X是对数正态随机变量，满足即20log10X是均值为零，方差为的高斯随机变量；所述接收端和发送端天线导向向量是天线的导向向量，其中字母T、R分别表示发射端和接收端，表达式如下：

式中，是天线的增益方向图；是相位函数，由下式给出：

式中，k₀＝2π/λ₀是自由空间波数；是发射天线与接收端天线的坐标，λ₀是中心频率对应的波长。

步骤(5)中，所述随机变量X是对数正态随机变量，即20log₁₀(X)服从均值为0，标准差为σ_SF的高斯分布。

步骤(7)中，整个紧耦合MIMO系统的信道传输矩阵，具体生成方法如下：

为了令计算机仿真模拟过程中不增加总的接收功率，增加归一化因子以使得数值模拟进程中簇和簇内子径的数量取得大，则信道系数式(8)改写为：

对于N根发射天线与M根接收天线的MIMO系统而言，其信道传输矩阵表示为：

本本发明能够最大程度上逼近考虑天线阵元间电磁耦合效应的室内多天线传播环境的特性，可为室内移动通信系统的软硬件设计、性能仿真与评估提供服务与参考。

附图说明

图1为室内无线信道经典时延分布图；

图2(a)为室内环境发射端的每簇AOA/AOD参数；

图2(b)为室内环境接收端的每簇AOA/AOD参数；

图3(a)为本发明的MC-SVA信道模型未引入对数正态阴影衰落后信道冲激响应的前后对比图；

图3(b)为本发明的MC-SVA信道模型在引入对数正态阴影衰落后信道冲激响应的前后对比图；

图4为本发明的MC-SVA信道模型在引入对数正态阴影衰落后信道功率分布直方图；

图5为本发明的MC-SVA信道模型在引入对数正态阴影衰落和耦合效应后信道容量分布图；

图6为本发明的MC-SVA信道模型具体软件实现流程。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明主要用于室内环境，如大型写字楼、商场等，结合实际环境的复杂性(传输的距离短，但内部障碍物较多)，需要综合考虑两种衰落情况。

本发明的目的是构造一种适合模拟耦合多天线传输系统室内空间衰落信道传播特性的方法，具体而言，则是基于传统SVA信道模型的窄带简化形式，通过引入大尺度对数正态阴影衰落及天线阵元间的电磁耦合效应，一种适用于室内耦合MIMO系统的新型MC-SVA(Mutual Coupling SVA)信道模型，并且详细给出了该模型的信道传输矩阵数学表达及软件实现流程，完善了现有室内MIMO系统信道建模，使之能够模拟和评估新一代紧凑型多天线传输系统的电波传输特性和系统性能。

在室内复杂多天线通信系统中，通过对室内多径传播信道时间数据的收集和统计分析，发现其时延分布存在多簇现象并且每簇由多条子径构成(如图1所示)。此外，实验数据还显示每簇及簇内子径的到达时间的概率密度统计均服从条件指数分布，表达式如下：

上式中，T_l是第l簇内第一条射线的到达时间(相对于前一簇T_l-1而言)，τ_k,l是第l簇内第k条射线的到达时间(相对于T_l而言)；Λ和λ则分别为簇到达率及射线到达率。

传统SVA信道模型从时域和空域这两个维度来考虑无线信号，对无线信号的发射角(Angle of Departure，AOD)和到达角(Angle of Arrival，AOA)进行了建模，发射端和接收端的每簇AOD/AOA参数如图2(a)、图2(b)所示，则该模型的信道冲激响应表达式可表示为：

式中，|β_k,l|表示第l簇内第k条子径的衰落幅度，一般服从瑞利分布，其概率密度函数如式(4)所示,且指第l簇、第k条子径的平均功率；θ_k,l表示第l簇内第k条子径的相位，且均匀分布在[0,2π]上；其余参数定义如表1所示。

大量的实测数据表明，当发射端采用全向天线且接收端采用定向天线时，子径AOA服从双边拉普拉斯分布；同时，平均簇AOA相互独立并且同服从于[0,2π]上的均匀分布。当发射端与接收端具有相同的系统结构时，AOA和AOD的分布是相同的。不失一般性，可认为在室内信道中，发射端与接收端具有对称性，则发射端与接收端子径的AOA/AOD均服从0均值、标准差为σ_P的双边拉普拉斯分布，记为表达式如下所示：

上式中的角度标准差σ_P以弧度表示。此外，需注意的是，是相较于而言的，因此具有0均值。

表1SVA模型信道冲激响应式参数表

在窄带情况下，多径时延扩展相较于每符号周期而言是很小的。因此，在该种环境下可以认为SVA模型的信道冲激响应是方向性的，即对(3)式的时延分量进行积分可得：

为了更全面地反映真实的室内传播环境，本发明首先在传统SVA信道模型窄带简化形式的基础上引入对数正态阴影衰落来描述大尺度衰落对室内衰落信道的影响(假设大尺度衰落与小尺度衰落相互独立)，则这种改进型SVA模型的信道冲激响应可由式(6)改写为：

式中，X是对数正态随机变量(即20log₁₀(X)服从均值为0，标准差为σ_SF的高斯分布)。

当上述考虑大尺度衰落的改进型SVA信道模型扩展到多天线MIMO传输系统中时，不难推导出该SVA模型在MIMO系统中第n根发射天线与第m根接收天线之间的信道系数，即：

上述表达式中是天线的导向向量，表达式如下：

式中，是天线的增益方向图；是相位函数，由下式给出：

式中，k₀＝2π/λ₀是自由空间波数(λ₀是中心频率对应的波长)；是发射天线与接收端天线的坐标。

为了令计算机仿真模拟过程中不增加总的接收功率，可增加归一化因子以使得数值模拟进程中簇和簇内子径的数量取得足够大，如此则信道系数式(8)可改写为：

对于N根发射天线与M根接收天线的MIMO系统而言，其信道传输矩阵可以表示为：

近年来，随着MIMO传输技术在通信系统基站端与接收端的普及与提升，天线阵列日益小型化，从而导致天线阵元间距缩短进而引发无法忽略的电磁耦合效应，这也成为设计MIMO系统时必须考虑的一个新问题、新因素。而本发明所得的信道传输矩阵则能够体现出多天线MIMO传输系统中天线阵元耦合效应的影响，方法即为通过天线导向向量来加以体现：因为是关于天线增益方向图和相位的函数，而明显会受到耦合的影响，故只要将阵元间电磁耦合效应导致的方向图畸变引入公式(11)就可以得到反映耦合效应的新SVA信道模型。这里将此种引入了对数正态阴影衰落且又适用于紧耦合MIMO系统的SVA信道模型简记为MC-SVA信道模型。

其中图3(a)、图3(b)两子图分别为无阴影衰落和有阴影衰落时，MC-SVA信道的冲激响应分布。对比两图可以看出，考虑对数正态阴影衰落的信道冲激响应的幅值将比较大程度地等比例衰减，这也显示修正后的SVA信道能更真实地体现实际接收信号的衰落情况。图4为该SVA模型经1000次信道实现所产生的功率次数分布直方图；从该图可以看出，该SVA模型的信道功率确实服从对数正态分布。图5为基于MC-SVA信道模型的耦合MIMO系统在平均接收信噪比为20dB条件下，其信道容量随天线间距变化的仿真图；从图中同样可以看出，当阵元天线间距越短，耦合越强，此时的系统信道容量较无耦合情况下减少越明显(即天线耦合效应越强，系统信道容量越低)；反之，阵元天线间距越长，且趋于一个波长λ时，该系统信道容量与无耦合情况相近。此外，从图5还可以看出，当考虑对数正态阴影衰落时，该系统信道容量在有耦合和无耦合的情况下均会大幅度地下降。

参见图6，以下为本发明所提出的一种模拟耦合多天线室内空间衰落信道传播特性的新模型MC-SVA的具体实现步骤及流程：

(1)生成[0,2π]范围内随机分布的发射端第l簇的平均发射角

(2)生成服从双边拉普拉斯变分布的第l簇内第k条子径发射角的偏移量然后将偏移角与簇平均发射角相加得到第l簇内第k子径的发射角；

(3)同理，根据步骤1、2的方法可以生成接收端第l簇内第k子径的到达角；

(4)生成服从瑞利分布的每条子径的振幅；

(5)生成服从[0,2π]均匀分布的每条子径的相位；

(6)生成对数正态阴影衰落数值化的随机变量；

(7)导入电磁仿真HFSS软件得到的阵列各阵元的远场辐射增益数据；

(8)设定发射端与接收端天线间距；

(9)根据设定的天线间距求发射与接收端各阵元的相位

(10)根据设定的天线间距、每条子径的发射角度取步骤7所导入的远场辐射增益数据来生成发射端各阵元的增益方向图

(11)同理，根据步骤8-10所描述的方法可以生成接收端各阵元的增益方向图

(12)根据步骤9、10、11所得到的参数生成表达式(9)所表示的发射端与接收端的导向向量

(13)最后根据上述参数生成表达式(11)所表示的信道系数，并且由此得到整个紧耦合MIMO系统的信道传输矩阵。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。