一種基于mimo的對流層散射通信隨機信道建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及對流層散射信道的建模方法，特別是一種基于MM0的對流層散射通 信隨機信道建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-InputMultiple-Output，MIM0)是指在發(fā)射端和接 收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接 收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻 譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，被視為下一代移動通信 的核心技術(shù)。
[0003] 對流層散射信道是一個復(fù)雜的變參數(shù)信道。在對流層散射通信中，電磁波的損耗 不僅決定于信號頻率、傳輸距離，波束能量在經(jīng)過散射體散射時也將產(chǎn)生損耗。當(dāng)電磁波射 入散射體時，電磁波的能量是由入射角、散射角的角度關(guān)系以及散射體吸收電磁波的能力 所共同決定的。根據(jù)目前最廣泛使用的湍流非相干散射理論的觀點，散射波的能量將分布 在各個方向上，散射角越分散，則散射波的能量就越小。
[0004] 目前工程上大多采用等效地球理論對散射通信鏈路傳輸損耗進行建模。等效地球 理論指出，在近地表面大氣中，可認為大氣折射指數(shù)隨高度均勻變化，在這種情況下，電波 射線曲率為固定常數(shù)。在等效地球之上，除電波射線變?yōu)橹本€外，天線仰角、端點高度和地 面距離等都不變。目前工程上常用的兩種損耗計算方法--ITU-R617和NBS-101均采用等 效地球的信道空域分析方法。兩者的區(qū)別在于，ITU-R617中所采用的氣候參數(shù)更為精確，計 算方便；而NBS-101對信號頻域的衰減給出了更為完備的計算公式，但計算過程十分繁瑣。 然而兩種損耗計算方式都沒有給出明確的波束與散射體碰撞時的能量損耗模型。
[0005] 根據(jù)對流層的湍流現(xiàn)象，本發(fā)明將對流層建模為一個可微的曲面，散射體隨機分 布在曲面的各點上。首先，根據(jù)湍流非相干散射理論，建立了電磁波束射入散射體后，散射 波在散射體表面的能量損耗分布模型，并根據(jù)此模型將能量損耗量化。其次，本發(fā)明提出一 種M頂0下波束傳輸距離的計算方法。最后，本發(fā)明推導(dǎo)得到基于M頂0對流層散射信道的 衰落系數(shù)和信道矩陣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明的應(yīng)用場景如附圖1所示，有兩個靜止的MM0通信站點，分別位于直線距 離1處。由于兩個站點距離較遠，故接收信號中非視距分量將占據(jù)絕大部分。由于對流層中 各點氣壓不同，產(chǎn)生了湍流現(xiàn)象，導(dǎo)致對流層各點到地面的距離均不相等；同時為了便于分 析，在信道幾何模型構(gòu)建時，將對流層視作可微的曲面，各散射體就隨機的分布在曲面上， 電磁波束就通過各散射體的散射從而將波束傳向接收站點。
[0008] 在對流層散射信道中，信號的損耗來源于兩個方面：一方面來源于信號在傳輸過 程中鏈路上的損耗；另一方面來源于波束在經(jīng)過多個散射體散射過程中消耗的能量。而信 號相位的變化也來源于兩個方面：一方面是由信號波長和鏈路長度決定的相移；另一方面 來源于波束在經(jīng)過散射后所附加上的隨機相移。
[0009] 波束在通過散射體時散射出的波束將射向四面八方，出射波束的能量隨著散射角 的增大而減小。根據(jù)湍流非相干散射理論，在產(chǎn)生鏡面反射的角度上，散射波束的能量最 大，在其它角度上波束能量隨散射角度與反射角夾角的增大呈指數(shù)衰減。同時能量衰減的 程度還與散射體對電磁波的吸收能力有關(guān)。由此，本發(fā)明將散射體建模為一球體，將散射波 在散射體表面的能量分布問題轉(zhuǎn)化為球體表面的二重積分問題。同時本發(fā)明基于信道的幾 何模型和若干可實測的數(shù)據(jù)參數(shù)，提出了一種基于MM0的多天線鏈路距離計算方法。最 后，推導(dǎo)了MM0技術(shù)背景下，對流層散射信道的衰落系數(shù)和信道矩陣。
[0010] 本發(fā)明的信道建模過程具體如下：
[0011] 信道幾何模型如附圖2所示。假定與某個路徑長度關(guān)聯(lián)的所有散射體Sw(k= 1， 2, ???，N) (N為散射體總數(shù)）位于同一曲面上；兩個通信站點間的直線距離為1 ;點A是 發(fā)射天線陣列的幾何中心，點B是接收天線陣列的幾何中心；發(fā)射端有Nt根天線，接收端有 隊根天線；ATi為第i根發(fā)射天線，B%為第j根接收天線。
[0012] 從發(fā)射端ATi(i= 1，2，? ? ?，Nt)到接收端BR_j(j= 1，2，? ? ?，隊）鏈路的信道 矩陣為
[0013]
[0014] 其中^為空間信道的衰落系數(shù)，由于視距分量十分微弱，在此處為分析簡便，忽 略不計，所以有
[0015]
[0016] 其中，P描述傳輸波從發(fā)射端到接收端所經(jīng)歷的最大散射次數(shù)，p表示散射次數(shù)， q表示由遠及近的路徑，例如我;f代表電磁波經(jīng)歷2跳，且其路徑表示第4條一跳路徑，即 A-S(2)-S(1)-B(由近及遠的原則），
！示由近及遠，傳輸波所走的 路徑總數(shù)；i(i= 1，2，? ? ?，Nt)、j(j= 1，2，? ? ?，隊）分別表示第i根發(fā)射天線與第j 根接收天線。
[0017] 不同散射次數(shù)下的衰落系數(shù)可表示為
[0018]
(4)
[0024] 其中，rT表示經(jīng)p次散射的第q條路徑上的某一散射體，NM表示經(jīng)p次散射的第 q條路徑上散射體的總數(shù)；;7廣為鏈路損耗中值，其計算方法可參考ITU-R617的建議； 為非視距鏈路增益；為散射后疊加上的隨機相位，其服從[0, 2 31 ]的均勻分布；k。為自 由空間波數(shù)，有&為波束經(jīng)過散射體的損耗系數(shù)；為鏈路的總長度。
[0025]當(dāng)一束平行波與散射體碰撞時，從宏觀角度分析，可以看作是波束與曲面上某一 點的碰撞。曲面上該點的切平面可視為反射面，曲面在該點上的法線即為入射波與反射波 的法線。將散射體建模為一球體，散射波束從球體表面的每個點向外散發(fā)，且散射波束的方 向均與球體表面垂直。由此以散射體幾何中心為球心，建立球坐標(biāo)系，貝IJ散射體表面能量分 布模型如附圖3所示，aM為經(jīng)散射體散射后的散射波與鏡面反射波的夾角。在散射體表 面，散射波束能量最強的點為反射波的出射點。連接接收天線與球心，以球心為垂足可得到 一平面將散射體切為等表面積的兩個半球；接收天線接收到的波束的能量應(yīng)為朝向接收天 線的半球表面各點的散射能量，在接收天線方向上分量的總和，也就是在半球表面上的二 重積分。而散射波束在散射體表面能量分布表現(xiàn)為，以反射波為中心，在其余方向上呈指數(shù) 衰減。由此得到了損耗系數(shù)的表達式如下：
[0028]其中0和#為球坐標(biāo)系中的兩個角度坐標(biāo)；alq為經(jīng)第一個散射體散射后的散射 波與鏡面反射波的夾角，aM為經(jīng)第q個經(jīng)散射體散射后的散射波與鏡面反射波的夾角；y 為散射介質(zhì)常數(shù)，表征了散射體對電磁波的吸收能力。
[0030]
[0029] 為鏈路的總長度。附圖4為波束傳輸?shù)膸缀文Ｐ汀Ｓ蓤D可知滿足如下表 達式
I ,r~l[0031] 其中，D,f為發(fā)射天線到散射體的鏈路長度，Af為散射體到接收天線的鏈路長 度，為各散射體之間的距離。由于6^ 為信號的波長）所以對信號相位的影響可 以忽略不計。故有
[0032]
[0033] 如附圖4所示，ATl為發(fā)射天線位置，BR]為接收天線的位置;A為發(fā)射天線陣列的 幾何中心，B為接收天線陣列的幾何中心；Wt*AB連線與ATl的夾角，Wr*AB連線與BRj 的夾角；角度0T(0R)為發(fā)射端（接收端）天線陣列的傾斜角度；dT(dR)表示發(fā)射端（接收 端）天線陣列中天線單元到其幾何中心的間距。
[0034] 由余弦定理有
[0035]
[0036] 其中L為ATl到B的直線距離。
[0037] 再由正弦定理有
[0038]
[0039] 由附圖4可知
[0040]邊 "R=邊 R-邊 'R (13)
[0041] ?由全故宙理.徨？丨丨盼發(fā)壬錢_的首錢陽窗1'的丟伏忒加下
[0042]
[0043] 最后由正弦定理有
[0044]
[0045] 再根據(jù)式（10)，就能得到鏈路距離。
[0046]結(jié)合式⑵與式（6)有
[0047]
[0048] 將式（15)帶入式⑴可得到信道矩陣H。
【附圖說明】
[0049] 圖1MIM0中靜態(tài)站點通信示意圖；
[0050] 圖2基于曲面的對流層散射通信幾何鏈路模型圖；
[0051]圖3散射體散射波束模型圖；
[0052] 圖4對流層散射通信幾何鏈路模型圖；
[0053]圖5基于MIM0的對流層散射隨機信道建模方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0054] 以下，描述本發(fā)明的實施方式，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相 同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖 描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本