一種基于主成分分析的信道建模方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及一種基于主成分分析的信道建模方法 及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)和移動(dòng)通信系統(tǒng)都具有一個(gè)重要的特征,能夠?qū)ΜF(xiàn)行的無(wú)線 信道狀況來(lái)適配其功能和參數(shù)性能,如現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò),基站側(cè)會(huì)根據(jù)用戶與基站之間的信 道狀況自適應(yīng)調(diào)整編碼和調(diào)制方式,從而獲得更好的傳輸效率和服務(wù)質(zhì)量,因此對(duì)無(wú)線信 道進(jìn)行較為準(zhǔn)確的建模對(duì)于提高通信系統(tǒng)的性能具有重要的意義。
[0003] 現(xiàn)有的陸地?zé)o線傳播模型主要采用統(tǒng)計(jì)模型,如下所示為較為通用的無(wú)線傳播模 型:
[0004] Ploss = K1+K21 g ( d ) +K3 ( Hms ) +K4Ig ( Hms ) +K51 g ( Hef f ) +K61 g ( Hef f ) 1 g ( d ) +K7+Kclutter其中 Pioss為路徑損耗,單位dB; Ki為與頻率相關(guān)的常數(shù);K2表示距離衰減常數(shù),K3、K4移動(dòng)臺(tái)天線高 度修正系數(shù);K 5、K6基站天線高度修正系數(shù);K7為繞射修正系數(shù);Kcdutter表示地物衰減修正系 數(shù);d為基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離,單位Km;H ms、Heff分別表示移動(dòng)臺(tái)天線和基站天線的高度, 單位m〇
[0005] 如上所述的無(wú)線傳播模型考慮了多種環(huán)境因素,但對(duì)多種因素獨(dú)立考慮,忽略了 各種因素之間可能存在的相關(guān)聯(lián)系,同時(shí)在實(shí)際傳輸環(huán)境中,信道的變化狀況是隨時(shí)間變 化的,而上述模型并不能很好體現(xiàn)信道的動(dòng)態(tài)變化特性。
[0006] 5G網(wǎng)絡(luò)為了滿足各種場(chǎng)景的寬帶接入需求,其各種通信設(shè)備會(huì)針對(duì)不同的場(chǎng)景進(jìn) 行專門定制。因此,對(duì)不同場(chǎng)景下的信道模型會(huì)趨于精細(xì)化的方向發(fā)展,進(jìn)而提高通信效 率。同時(shí)第五代移動(dòng)通信(5G)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)組的計(jì)劃里面提出了高速應(yīng)用場(chǎng)景和一定程度的海 上寬帶覆蓋,可見(jiàn)5G網(wǎng)絡(luò)將面對(duì)更為復(fù)雜的通信環(huán)境,因此,未來(lái)的信道模型考慮的因素將 不僅僅是上述傳播模型所設(shè)計(jì)的環(huán)境因子,而是需要考慮更為復(fù)雜的環(huán)境因素,以及信道 的動(dòng)態(tài)變化狀況。
[0007]如海上無(wú)線傳播模型與現(xiàn)有的陸地?zé)o線傳播模型存在較大的差異。海上無(wú)線信道 除了常見(jiàn)的收發(fā)信機(jī)天線高度、收發(fā)信機(jī)距離、工作頻段、帶寬、雨霧衰減之外,還受海洋環(huán) 境影響,如海面粗糙程度、近海面的大氣濕度和海水鹽堿度等方面因素的影響。同時(shí),海洋 環(huán)境無(wú)時(shí)無(wú)刻在變化。目前應(yīng)用較多的海上無(wú)線損耗模型主要有雙射線模型,其模型如下 所述:
[0008]
[0009]其中,λ表示發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng);d表示發(fā)射天線和接收天線的距離;ht、hr分別表示發(fā) 射天線和接收天線的高度,雙射線模型是基于一個(gè)平穩(wěn)海面的場(chǎng)景下推導(dǎo)出來(lái)的結(jié)果,顯 然與現(xiàn)實(shí)存在較大的差距,同時(shí)由于海水波動(dòng)造成的發(fā)射天線和接收天線高度的變化也無(wú) 法很好通過(guò)雙射線模型來(lái)體現(xiàn)。
[0010] 將多種環(huán)境因素考慮進(jìn)來(lái)時(shí),信道模型的分析和建模將變得更為復(fù)雜和困難。如 果只是單純考慮單個(gè)因素的作用會(huì)忽略環(huán)境因素之間的相關(guān)特性。其中影響信道的因素有 多個(gè),假設(shè)影響信道狀況的因素可以表示為X向量,Χ=( χ?,χ2, ···,&),其中,第i個(gè)信道狀況 影響因素為Xl。在陸地?zé)o線傳播模型中,Xl被認(rèn)為是相互獨(dú)立的,但是在復(fù)雜的環(huán)境下, 間可能存在關(guān)聯(lián)性,并且,如果獨(dú)立看待^,當(dāng)η非常大的時(shí)候,其模型的分析和建立是困難 的,同時(shí)精確度也會(huì)降低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011] 本發(fā)明的目的在于滿足未來(lái)無(wú)線信道模型精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化的要求,提供一種基于 主成分分析的信道建模方法和裝置,能夠在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)信道進(jìn)行快速地較為準(zhǔn)確地估 計(jì)。
[0012] -種基于主成分分析的信道建模方法,包括以下步驟:
[0013] 1)在不同環(huán)境影響因素下對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,保存數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果Υ,同時(shí)對(duì) 每次測(cè)量的環(huán)境因素影響因子向量X進(jìn)行量化,保存每次測(cè)量時(shí)的環(huán)境影響因子X(jué);
[0014] 2)對(duì)在不同環(huán)境影響因素下實(shí)地測(cè)量的多個(gè)X樣本求其均值向量μ,其中X=(Xl·, X2,…Xm)T,Xi= (Xil,Xi2,…叉化)表不第i次測(cè)量時(shí)的環(huán)境影響因子對(duì)應(yīng)的值;
[0015] 3)對(duì)所得的樣本數(shù)據(jù)X去均值化,得到去均值后的樣本向量i , i表示環(huán)境因子 的平均統(tǒng)計(jì)特性,其中
;
[0016] 4)對(duì)f向量構(gòu)建協(xié)方差矩陣Φ,其中
;
[0017] 5)求協(xié)方差矩陣Φ的特征值ki,及其對(duì)應(yīng)的特征向量Wi,其中i = 1,2,…η;
[0018] 6)對(duì)所得的特征值ki從大到小排列,使得lu 2 k2 2…2 kn,ki的大小表示對(duì)應(yīng)的主 成分對(duì)信道特征的貢獻(xiàn)程度;
[0019] 7)確定累計(jì)貢獻(xiàn)率
,當(dāng)累計(jì)貢獻(xiàn)率cp2p時(shí),優(yōu)選地取前p個(gè)特征向量W p =
[1,…,WP],作為子空間的基,其中P為常數(shù),一般取80% ;
[0020] 8)確定所提取的p個(gè)主成分為
,其中P<n,為較小的數(shù)值;
[0021 ]本發(fā)明中的較佳實(shí)施例中,所述步驟1)中包括對(duì)頻率、距離、基站高度、移動(dòng)臺(tái)高 度、繞射修正、常見(jiàn)地物衰減修正因子和天氣狀況修正因子等環(huán)境影響因素進(jìn)行測(cè)量的步 驟,其中量化的數(shù)值根據(jù)對(duì)應(yīng)環(huán)境情況下的環(huán)境影響因子對(duì)信道的影響程度確定。
[0022] 本發(fā)明中的較佳實(shí)施例中,所述步驟8)之后還包括確定信道參數(shù)的步驟,即根據(jù) 所得的P個(gè)主成分確定環(huán)境影響因子對(duì)信道模型的影響程度,由相對(duì)應(yīng)的主成分向量F快速 確定信道參數(shù)。
[0023] 本發(fā)明中的較佳實(shí)施例中,所述確定信道參數(shù)的步驟包括,對(duì)樣本數(shù)據(jù)X求其對(duì)應(yīng) 的主成分矩陣F,根據(jù)所得的主成分矩陣F與數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果Y進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)系的映射,得到對(duì)應(yīng) 的映射函數(shù)f,根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)X,由變換矩陣W P確定對(duì)應(yīng)的主成分F,得到信道參數(shù)Y = f(F)oo
[0024] -種基于主成分分析的信道建模裝置,一種基于主成分分析的信道建模裝置,包 括獲取單元、第一確定單元、第二確定單元、第三確定單元,所述獲取單元、第一確定單元、 第二確定單元、第三確定單元之間用信號(hào)傳輸線連接,所述獲取單元用于對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行 感應(yīng)和量化從而確定環(huán)境影響因子X(jué);所述第一確定單元用于接收所述環(huán)境影響因子X(jué)并完 成對(duì)信道參數(shù)的估計(jì);所述第二確定單元用于對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分提取,提取出對(duì)應(yīng) 的空間變換矩陣^和映射函數(shù)f;所述第三確定單元用于保存測(cè)量的環(huán)境樣本數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)的 信道參數(shù)數(shù)據(jù)、變換矩陣W P和映射函數(shù)f。本發(fā)明中的較佳實(shí)施例中,所述第一確定單元是 根據(jù)變換矩陣WP、映射函數(shù)f和對(duì)應(yīng)的環(huán)境影響因子X(jué)實(shí)現(xiàn)信道參數(shù)的估計(jì)。
[0025] 本發(fā)明中的較佳實(shí)施例中,所述第二確定單元進(jìn)行主成分提取包括接收所述第一 確定單元保存的樣本數(shù)據(jù),通過(guò)主成分分析方法進(jìn)行主成分提取后確定變換矩陣W P,而后 通過(guò)所求得的變換矩陣WP,確定樣本數(shù)據(jù)的主成分矩陣F,同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果Y進(jìn)行數(shù) 據(jù)關(guān)系的映射,確定對(duì)應(yīng)的映射函數(shù)f。
[0026] 本發(fā)明中的基于主成分分析的信道建模裝置通過(guò)設(shè)置獲取單元、第一確定單元、 第二確定單元、第三確定單元,利用獲取單元對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行感應(yīng)和量化從而確定環(huán)境影 響因子X(jué),第一確定單元用于接收所述環(huán)境影響因子X(jué)并完成對(duì)信道參數(shù)的估計(jì),第二確定 單元完成對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分提取,第三確定單元保存測(cè)量的環(huán)境樣本數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的 信道參數(shù)數(shù)據(jù),本發(fā)明中的基于主成分分析的信道建模方法通過(guò)對(duì)主成分分析,主成分分 析是一種基于統(tǒng)計(jì)意義下的最小均方誤差的特征提取方法,其所提取的新特征能維持大部 分本質(zhì)信息,通過(guò)主成分分析,將影響信道的環(huán)境因素進(jìn)行聯(lián)合處理,降低了信道建模的復(fù) 雜度和難度,同時(shí),主成分分析可以根據(jù)環(huán)境的動(dòng)態(tài)反饋不斷更新信道的特征,實(shí)現(xiàn)信道的 動(dòng)態(tài)估計(jì),該基于主成分分析的信道建模方法和裝置能夠在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)影響無(wú)線信道的 環(huán)境因子進(jìn)行主成分提取,將影響信道特征的多種環(huán)境因素壓縮成幾個(gè)主成分以計(jì)算不同 時(shí)刻的環(huán)境影響因子的主成分?jǐn)?shù)值,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地準(zhǔn)確地信道參數(shù)快速估計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的基于主成分分析的信道建模方法的實(shí)施例一的流程示意圖;
[0028] 圖2是本發(fā)明的基于主成分分析的信道建模裝置的實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0029] 圖3是本發(fā)明中測(cè)量的環(huán)境因子與提取的主成分之間的相關(guān)載荷示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明,
[0031] 本發(fā)明實(shí)施例所提供環(huán)境場(chǎng)景為海洋通信環(huán)境場(chǎng)景,本發(fā)明場(chǎng)景不僅局限于海洋 環(huán)境場(chǎng)景,還適用于其他復(fù)雜的陸地通信環(huán)境,此地僅起到示例作用,本發(fā)明實(shí)施例所提供 的方法為主成分分析方法,其相應(yīng)的改進(jìn)的類似方法也適用,在此僅起到示例作用。
[0032]根據(jù)現(xiàn)有的對(duì)海上無(wú)線信道進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果表明海上無(wú)線信道的情況相對(duì)復(fù)雜, 例如在不同的季節(jié)對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,其信道參數(shù)存在一定程度的差別。同時(shí)海面波浪 的不確定性給信道的小尺度參數(shù)估計(jì)造成一定的困難。海上無(wú)線信道受到諸多環(huán)境因素的 影響,如季節(jié)因素、溫度、海水的鹽度和海面風(fēng)速等。
[0033]如圖1所示,該基于主成分分析的信道建模方法的步驟包括步驟S101對(duì)信道進(jìn)行 實(shí)測(cè)、步驟S102對(duì)大量的X樣本數(shù)據(jù)求其均值、步驟S103對(duì)其樣本數(shù)據(jù)去均值、步驟S104對(duì) 去均值后的樣本X求其協(xié)方差矩陣Φ、步驟S105對(duì)協(xié)方差矩陣Φ求其特征值ki其及對(duì)應(yīng)的 特征向量Wi、步驟S106根據(jù)其特征值的貢獻(xiàn)率大小提取p個(gè)主成分和步驟S107將對(duì)應(yīng)的主 成分映射到對(duì)應(yīng)的信道參數(shù)上,具體的方法步驟如下:
[0034]步驟S101,對(duì)信道進(jìn)行實(shí)測(cè),記錄下每次測(cè)量的環(huán)境參數(shù)和實(shí)測(cè)的信道參數(shù)。
[0035] 具體的,由于海水鹽度和季節(jié)因素等信息是相對(duì)不變的,在短時(shí)內(nèi)取其均值,對(duì)海 水鹽度信息和季節(jié)信息進(jìn)行量化,將數(shù)據(jù)保存下來(lái),每次進(jìn)行測(cè)量時(shí),記錄每次發(fā)射機(jī)和接 收機(jī)的相對(duì)距離、海面風(fēng)速和大氣濕度信息。由于大氣濕度信息隨時(shí)間的變化相對(duì)較慢,可 以每隔一段時(shí)間更新一次,保存每次測(cè)量的環(huán)境影響因子X(jué),同時(shí)保存每次信道測(cè)量的結(jié) 果,計(jì)算并保存每次測(cè)量的信道參數(shù)Y。
[0036] 對(duì)不同環(huán)境影響下的信道進(jìn)行多次測(cè)量,每次測(cè)量把環(huán)境影響因子X(jué)和每次測(cè)量 的信道參數(shù)Y,將其保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。
[0037]步驟S102,對(duì)大量的X樣本數(shù)據(jù)求其均值。
[0038] 具體的,對(duì)m組數(shù)據(jù)求其均值μ,其中m足夠大,并且其樣本數(shù)據(jù)具有代表性。其中μ __ 1 = (μι,μ2,μ3,μ4,μ5),/? =-2-ιχ? ° 饑j=l
[0039] 步驟S103,對(duì)其樣本數(shù)據(jù)去均值。
[0040]