一種基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方法，沿用均勻散射體分布的假設(shè)，通過求解MS的電磁信號AOA概率密度函數(shù)，從而估計多徑衰落信道的重要空時參數(shù)，提高了信道模型的準確度。本發(fā)明提出了一種新的多普勒頻譜的推導(dǎo)方式，引入運動的相對性理論，當移動臺MS的移動特性使得接收端信號產(chǎn)生多普勒頻移時，基站BS也會有相對運動，因此也會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。從上述觀點出發(fā)，本發(fā)明彌補了過去研究的不足，提高了移動臺的多普勒頻率的準確性，相較現(xiàn)有模型，本發(fā)明提供的模型更為精確，應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事等重要領(lǐng)域時具有更為可靠的安全性能。
【專利說明】一種基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方法，屬于無線通信技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Adhoc/Mesh是一種新生的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域、公共安全 以及交通管理等方面具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。近些年來，國內(nèi)外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道 傳播特性與建模的研究越來越關(guān)注。無線信道傳播模型是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通信方 案和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的基礎(chǔ)，它主要包括路徑損耗模型和小尺度衰落模型以及電磁信號概率 分布和信號時延分布等等。在無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、仿真和優(yōu)化階段，傳播信道模型的研究是 最重要的問題之一，它影響著節(jié)點覆蓋范圍和鄰居節(jié)點度等重要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)由大量傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點由電池供電，能量十分有限。供電電池的壽命直接 影響整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，而供電電池的使用時間跟路徑損耗等信道模型參數(shù)息息相關(guān)。 同時一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都需要提供定位信息，定位技術(shù)中基于接收信號強度指示 (Received Signal Strength Indication, RSSI)的定位方法，也是通過信道衰落與距離之 間的關(guān)系來實現(xiàn)測距的。因此針對傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點建立一個合適的而且準確的符合實際 的信道模型會對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計產(chǎn)生重要的影響。
[0003] 近十幾年來，無線通信及其應(yīng)用已成為當今信息科學(xué)技術(shù)中最活躍的研究領(lǐng)域 之一，而無線通信系統(tǒng)的性能主要受到移動無線信道特性的制約，因此，研究無線通信系 統(tǒng)，首先要對無線信道傳播模型做出分析。多徑效應(yīng)是移動通信信道中的小尺度衰落，是 無線信道研究的主要內(nèi)容之一。在無線通信系統(tǒng)中，基站（Base Station，BS)和移動臺 (Mobile Station，MS)之間的傳播路徑一般分布有復(fù)雜的地形，并且具有極度的時變隨機 性，特別難以分析。因此建立一個準確而有效的信道模型是構(gòu)建移動通信系統(tǒng)的重要步驟。 Ertel 和 Petrus 提出了散射體空間分布圓模型（Geometrically based single bounce model，GBSBM)和捕圓模型（Ellipse based single bounce model，EBSBM)。仿真結(jié)果表 明GBSBM模型能估計宏小區(qū)（Macrocell)移動通信環(huán)境下的重要空時信道參數(shù)，EBSBM模 型能估計微小區(qū)（Microcell)移動通信環(huán)境的信道參數(shù)。由于GBSBM和EBSBM模型的估 計結(jié)果不夠準確，Zhao和Zhou提出了散射體高斯（Gaussian)分布圓模型以及空心圓環(huán)模 型，Jiang給出基于瑞利分布和指數(shù)（Exponential)分布的圓模型（ESDM)等。通過研究 發(fā)現(xiàn)，以上對于信道建模的研究還停留在2D平面上，都沒有考慮過電磁信號的俯仰角（EA : Elevation Angle)對信道參數(shù)估計的影響，對于實際物理信道并不能有一個客觀的描述。 因此Janaswamy等提出了三維空間統(tǒng)計信道模型，將基站BS以及移動臺MS的電磁信號細 化為水平面以及垂直面的空間角域分布。Nawaz和Qu針對三維室外宏小區(qū)移動通信環(huán)境， 在細化空間角度研究的基礎(chǔ)上分析了信道模型的多普勒功率譜。后來，Du深入了對于空間 多普勒效應(yīng)的研究，提出一種可以提高測量準確性的方法。就現(xiàn)實情況而言，多普勒效應(yīng)在 現(xiàn)如今的許多領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應(yīng)用，比如多普勒測速技術(shù)、激光流速儀、多普勒雷 達以及醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用等等。然而，在過去關(guān)于三維微小區(qū)移動通信環(huán)境下的多普勒效應(yīng) 的研究中，大都還停留在一種比較老套的公式推導(dǎo)方法，在研究過程中我們發(fā)現(xiàn)，原有推導(dǎo) 方法產(chǎn)生有一定的數(shù)值誤差，如果應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備、軍事等領(lǐng)域，則可能會導(dǎo)致難以想象的 嚴重后果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方 法，沿用均勻散射體分布的假設(shè)，通過求解三維信道模型下基站BS以及移動臺MS端電磁信 號的概率密度函數(shù)，從而提出新的多普勒頻譜的推導(dǎo)過程，進而提高了信道模型的準確度。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一：建立三維空間統(tǒng)計信道模型，包括基站BS，移動臺MS以及散射體點s ;以 BS為原點建立三維坐標系，在該模型中散射體均勻分布，其中BS端的定向天線的主瓣角度 為2 α，散射區(qū)域內(nèi)的散射體到BS以及MS的距離分別為rb和rm，基站BS和移動臺MS之間 的距離為d，信道模型的長軸和短軸的長度分別為a和b，d < a以及b < a，BS在水平面上 的夾角為，垂直面上的夾角為Pb;MS在水平面以及垂直面上的夾角分別為和 計算散射區(qū)域的體積為V = 2a2b α /3 ;

【權(quán)利要求】
1. 一種基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：建立三維空間統(tǒng)計信道模型，包括基站BS，移動臺MS以及散射體點S ;以BS 為原點建立三維坐標系，在該模型中散射體均勻分布，其中BS端的定向天線的主瓣角度為 2 α，散射區(qū)域內(nèi)的散射體到BS以及MS的距離分別為rb和rm，基站BS和移動臺MS之間的 距離為d，信道模型的長軸和短軸的長度分別為a和b，d < a以及b < a，BS在水平面上的 夾角為，垂直面上的夾角為Pb;MS在水平面以及垂直面上的夾角分別為和，計 算散射區(qū)域的體積為V = 2a2b α /3 ; 步驟二：將散射區(qū)域1^^劃分為Pi和Ρ2兩部分，通過下式計算散射區(qū)域Pi和Ρ2為：
其中， β μ為PMQ平面和xoy平面的二面角，
步驟三：通過雅可比轉(zhuǎn)換式，將（xb，yb，zb)轉(zhuǎn)換為（rb，（K，i3 b)，得到BS的聯(lián)合概率密 度函數(shù)：
同理得到移動臺MS的聯(lián)合概率密度函數(shù)：
步驟四：當移動臺MS的移動使得接收端信號產(chǎn)生多普勒頻移時，由下式計算多普勒頻 移與傳播路徑中的角度關(guān)系：
其中，f。為信號的載波頻率，定義Y = c〇S0mCOSi3M，通過雅可比坐標轉(zhuǎn)換，可以將 (rm，φπ，βΜ)轉(zhuǎn)換為（1，φπ，β Μ)下的聯(lián)合概率密度函數(shù)：
將（1，φπ，βΜ)轉(zhuǎn)換為（Ρ?，φπ，β Μ)下的聯(lián)合概率密度函數(shù)：
其中，電磁信號從BS到MS之間共存在η條傳播路徑，p (1彡p彡η)為第lp條傳播路 徑的長度，h為第lp條傳播路徑相應(yīng)的概率密度，P。為直達路徑的概率密度； 將（d", Φ", β J轉(zhuǎn)換為（d", Υ , β J下的聯(lián)合概率密度函數(shù)：
其中，
將聯(lián)合概率密度函數(shù)進行數(shù)值積分，得到多普勒頻移的概率密度函數(shù)：
BS在堅直平面上的概率密度函數(shù)：
通過數(shù)值計算，求出BS的多普勒概率密度函數(shù)：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維空間域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道建模方法，其特征在 于，在所述步驟四中BS的多普勒概率密度函數(shù)中通過數(shù)值推導(dǎo)，求解出多普勒頻移方差：
【文檔編號】H04B17/00GK104144022SQ201410387587
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】周杰, 江浩 申請人:南京信息工程大學(xué)