[发明专利]一种基于随机散射簇的三维Massive MIMO信道建模方法

摘要

本发明公开了一种基于随机散射簇的三维Massive MIMO信道建模方法，属于无线通信技术领域。由于球面波前的计算复杂性，本发明在3D Massive MIMO信道模型中引入球面波前的二阶近似，即抛物波前建模近场效应，与球面波前相比减少了理论和计算复杂度；而对于Massive MIMO信道呈现的非平稳特性，本发明以3D空间中散射簇分布情况为研究对象，通过引入散射簇的有效概率和有效散射簇两个物理概念，提供了一种较为简单的基于散射簇空间位置信息的建模方法，并利用随机过程建模有效散射簇在阵列轴的出现和消失，简单而又灵活地描述3D散射环境的传播特性。与直接应用球面波前相比减少了计算和理论的复杂度，为建模信道近场效应提供一种计算复杂度低的方法。

主权项

1.一种基于随机散射簇的三维Massive MIMO信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：以基站大规模天线阵列中心为原点，建立3D坐标系，其中各个参数的定义如下：基站和移动台到散射簇n的距离分别为和基站到散射簇n的俯仰离开角和方位离开角分别为θ_n,ZOD和φ_n,AOD；基站经散射簇n中散射子径m的俯仰离开角和方位离开角分别为θ_n,m,ZOD和φ_n,m,AOD；散射簇n到移动端的俯仰到达角和方位到达角分别为θ_n,ZOA和φ_n,AOA；移动端经散射簇n中散射子径m的俯仰到达角和方位到达角分别为θ_n,m,ZOA和φ_n，m，AOA；基站阵列天线位置的俯仰角和方位角分别为和移动台位置的俯仰角和方位角分别为和基站发射端与移动台接收端的直视距离为D，基站发射天线数为M_t，移动台接收天线为M_r，移动台的速度大小为v，移动方位角和俯仰角分别为α_v和θ_v；步骤(2)：散射簇n的位置球坐标为(rn,θn,φn)，其中散射簇n的空间距离rn、方位角φn和俯仰角θn是相互独立的随机参量，分别考虑三维坐标对散射簇有效概率影响，定义散射簇n有效的概率为：Pn,effective＝g1(θn)g2(φn)g3(rn)，其中g1(θn)和g2(φn)为关于散射簇角度的函数分量，g3(rn)＝exp kr rn/D,kr≤0为距离函数，其中kr为环境参数；利用功率角度von Mises fisher分布函数来计算散射簇关于角度参量的有效概率；步骤(3)：根据模型的理论宽带Massive MIMO信道传输矩阵表示为M_r×M_t复矩阵其中信道脉冲响应h_us t,τ计算公式为其中τn是散射簇n中与散射多径分量有关的时延，考虑散射簇的有效性，对hus,n(t)计算：其中M是散射簇n中散射子径的数目，N是总的散射簇数目，P_n是散射簇n的功率，f_un,m是散射簇n中散射子径m的多普勒频移，为每一子径传播距离导致的相位变化量；其中f_un,m和通过以下计算获得：其中为初始相位，λ为载波波长，v为速度矢量，和分别表示散射簇n经散射子径m到第s根接收端天线和第u根发送端天线的距离矢量，3D模型中有其中和分别表示天线的位置矢量，和分别表示散射簇n经散射子径m到接收端天线阵列和发送端天线阵列中心的距离矢量，分别计算如下：其中D＝[D,0,0]为收发天线之间的距离矢量在3D模型中，采用球面波前模型时，由余弦定理得：其中和之间的空间夹角球面波前近似为抛物波前时，可以通过简单的二元多项式计算：从公式步骤(4)：对于一个散射簇中散射子径的描述，散射子径的方位角和俯仰角一般是相关的，散射子径的角度联合分布函数采用von Mises fisher分布：其中和分别表示散射子径的俯仰角和方位角平均值，κ_n是衡量所有散射子径在均值附近的扩散程度，C_p(κ_n)＝κ_n/(4πsinhκ_n)，步骤(5)：计算天线阵列轴的多普勒频率标准差其中步骤(6)：MIMO系统天线的空时相关函数为：其中E[·]是数学期望；步骤(7)：设置τ＝0，公式(10)的空时相关函数就可以表示为空间交叉函数(CCF)ρ_{us,u′s′,n}(δ_t,δ_r；t)，于局部散射体数趋于无穷，离散散射分量的角度分布将是一个连续随机变量，从h_us,n(t)到h_u′s′,n(t)演变过程中散射簇有效的概率为CCF可以写为其中步骤(8)：计算阵列轴信道强度在3D MIMO模型中，根据单斜率指数时延分布计算散射簇功率，建模为时延和场景的函数为：其中Z_n～0,ζ，r_τ是时延分布比例因子，σ_τ是时延的标准差，散射簇的归一化功率为阵列轴天线的信道强度Q_su为无线链路s,u中有效散射簇的归一化功率和，计算为：其中若散射簇n不是无线链路s,u的有效散射簇，则记Pn＝0。步骤(9)：通过下式计算信道容量为其中矩阵H为所提模型的信道传输矩阵H t,τ，ρ是信道平均信噪比，为M_r乘M_r的单位阵。