專利名稱：三維傳播環(huán)境中的極化多天線信道模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及三維傳播環(huán)境中的極化多天線通信信道，可用于 對極化多天線通信系統(tǒng)的研究。
背景技術(shù)：
為了適應(yīng)未來移動通信系統(tǒng)高速率數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)省無線資源的需要，多天線輸入 多天線輸出(MIMO)技術(shù)近年來得到廣泛研究和應(yīng)用。為了降低MIMO系統(tǒng)中天線間的相 關(guān)性，或在有限的尺寸內(nèi)放置更多的天線，可以利用天線極化方式的不同來實現(xiàn)MIMO天線 陣列中天線間的隔離。精確的極化MIMO信道模型是極化MIMO系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵?，F(xiàn)有的應(yīng)用較為廣泛的包含天線極化特性的MIMO信道模型有3GPP SCM模型 與WINNER組織提出的WIM信道模型等。在SCM模型中只考慮了電磁波在二維水平面上的 傳播，而沒有考慮三維的傳播過程對信道特性的影響；在WIM模型中雖然加入了對三維傳 播環(huán)境的描述，但該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合用于進(jìn)行理論分析。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于克服以上已有極化MIMO信道模型的不足，提出一 種三維傳播環(huán)境中極化MIMO信道模型的構(gòu)建方法，使其既適用于仿真分析，又適用于理論 分析。技術(shù)方案本發(fā)明具體實現(xiàn)步驟包括如下
1. 一種三維傳播環(huán)境中極化多天線信道模型的構(gòu)建方法，其特 征在于該方法包括如下步驟1)定義兩組坐標(biāo)系，發(fā)送端原始坐標(biāo)系
C^rf和基于發(fā)送天線的坐標(biāo)系cis_fe_，所有的離開角以及發(fā)送天線的放置角度定義 是在C相麵中的，而C1 二纖-細(xì)站 為用于計算電磁波極化方向的輔助坐標(biāo)系；對于以任意角 度放置的發(fā)送天線，通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法，使坐標(biāo)系ClLs^teai中的^軸與該發(fā)送天線 的軸向一致，在坐標(biāo)系4一中計算得到電磁波的場矢量后，再通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的逆 過程計算得到場矢量在原始坐標(biāo)系C^sfll中的矢量表示，從而得到以任意角度擺放的天線 所激勵的在任意出射角度下的電磁波S^)的場矢量，并將該電磁波的場強在垂直于電磁波 傳播方向的平面中投影到C^rf的子午平面的β方向和赤道平面的$方向上；
2)按重新定義的0方向到接收端原始坐標(biāo)系C^isfls赤道平面的穸方向的極化鑒別率 迎 和P方向到接收端原始坐標(biāo)系C^M子午平面的tf萬向的極化鑒別率，按 矢量投影分解得到發(fā)生散射后的電磁波y ￠^)在新的0和ψ兩個方向上的場強；3)定義兩組坐標(biāo)系，接收端原始坐標(biāo)系C^^和基于接收天線的坐標(biāo)系，
所有的到達(dá)角以及接收天線的放置角度是定義在C^rf中的，而C^y—為用于計算電 磁波極化方向的輔助坐標(biāo)系；通過與步驟1)中相同的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法，計算得到以任意 角度放置的接收天線上接收到的散射后電磁波？( )的場強；
4)依據(jù)來自文獻(xiàn)或?qū)崪y得到的經(jīng)驗概率分布，生成每一個散射體所對應(yīng)的三維到達(dá) 角、離開角，依照構(gòu)建步驟1) 步驟3)得到其對應(yīng)的接收場強，由接收場強得到基于每個 散射體的散射系數(shù)的模值；
5)依據(jù)經(jīng)驗概率分布生成基于每一個散射體的散射和傳播過程引入的隨機相移，得到 基于每個散射體的散射系數(shù)的相位；
6)對于每一收發(fā)天線對，將所有散射體所對應(yīng)的散射系數(shù)與天線陣列間距引入的固定 相移項相乘后疊加，得到極化多天線系統(tǒng)的信道矩陣；
至此就得到了極化多天線系統(tǒng)的信道矩陣，完成了極化多天線信道模型的構(gòu)建。在信道模型的構(gòu)建步驟1)和步驟3)中分別定義了兩組坐標(biāo)系，原始坐標(biāo)系
cIigrf、c^girf禾口基于天線的坐標(biāo)系C^Mc-toai、CSssHc-tefli ；在原始坐標(biāo)系C二—中，Zlx 軸方向為大地平面的法向方向，％r軸方向為發(fā)送天線陣列寬邊方向，.Jfe軸方向為按照右 手系準(zhǔn)則通過Zj2軸和斷軸所確定的方向；在原始坐標(biāo)系C^rf中，^^軸方向為大地平 面的法向方向， 軸方向為接收天線陣列寬邊方向，少1軸方向為按照右手系準(zhǔn)則通過 k軸和^^軸所確定的方向；在基于天線的坐標(biāo)系中，軸為發(fā)送天線軸向 方向，軸為發(fā)送天線軸向在水平面內(nèi)的投影在該投影面內(nèi)向下旋轉(zhuǎn)^ifITi角度后所處的 方向，I 為發(fā)送天線軸向與坐標(biāo)系中-軸方向的夾角，&軸方向為按照右手系 準(zhǔn)則通過軸和^iz軸所確定的方向；在基于天線的坐標(biāo)系Ciui^中，軸為接收天 線軸向方向，4軸為接收天線軸向在水平面內(nèi)的投影在該投影面內(nèi)向下旋轉(zhuǎn)θ碰角度后 所處的方向，Al為接收天線軸向與坐標(biāo)系C^im中^^軸方向的夾角，>4^軸方向為按 照右手系準(zhǔn)則通過軸和軸所確定的方向。構(gòu)建步驟1)和構(gòu)建步驟3)中所述的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)方法為在構(gòu)建步驟1)中，首 先，將原始坐標(biāo)系C^m中的坐標(biāo)軸Xjx7i^s繞其^軸方向旋轉(zhuǎn)角度^ifflf ,得到一組中
間坐標(biāo)軸4^)4 ^ ;然后將此中間坐標(biāo)軸&^4 繞其Jfe軸旋轉(zhuǎn)角度得到坐標(biāo)系
中的坐標(biāo)軸；其中為天線在坐標(biāo)系C^irf中的角度表
示，^fs為發(fā)送天線軸向與坐標(biāo)系C^jrf中^^軸方向的夾角，φ·為發(fā)送天線軸向與坐
標(biāo)系中Xiz軸方向的夾角；在構(gòu)建步驟3)中，首先，將原始坐標(biāo)系中的坐標(biāo)繞其2軸方向旋轉(zhuǎn)角度，得到一組中間坐標(biāo)軸4^^ ^ ；然后將此中間 坐標(biāo)軸太》欣繞其軸旋轉(zhuǎn)角度emsz得到坐標(biāo)系( —沾中的坐標(biāo)軸； 其中^jsf,^sijs)為接收天線在坐標(biāo)中的角度表示，為接收天線軸向與坐 標(biāo)系C^jsai中Zsk軸方向的夾角，φ^組為接收天線軸向與坐標(biāo)系C二磁中Xj2r軸方向的夾構(gòu)建步驟2)中定義了 4萬向到歲方向的極化鑒別率和識方向到伊方向的
ρρ
極化鑒別率^pn ,該定義由以下兩式表示M‘_=f，^ y = f ;其中π表示
由散射前2方向轉(zhuǎn)換到散射后的5方向上的電磁能量，其中2為5或伊，5為伊或鏟。對所有收發(fā)天線對重復(fù)上述過程后，完成信道模型的構(gòu)建；本過程可采用一種緊 湊的矩陣形式表示。有益效果
(1) 本發(fā)明通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法，可以方便地得到在三維傳播空間中任意入射或 出射方向上的電磁波在以任意角度擺放的天線上的場強投影。(2) 本發(fā)明對極化電磁波在三維空間中的傳播進(jìn)行了建模。通過將極化鑒別率 重新定義為亞 和通喊的形式，使得利用本模型對極化MIMO信道進(jìn)行數(shù)學(xué)分析變得 簡便可行。(3) 本發(fā)明中的信道模型可寫為緊湊的矩陣形式，使其既適用于仿真分析，也 適用于理論分析。


圖1為本發(fā)明中信道模型構(gòu)建流程圖； 圖2為本發(fā)明中坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)方式示意圖3為本發(fā)明中對極化電磁波在三維空間中的傳播描述示意圖。
具體實施例方式參考圖1，本發(fā)明構(gòu)建三維傳播環(huán)境中的極化MIMO信道模型步驟如下
(1)通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法，計算得到以任意角度擺放的天線所激勵的在任意出射角
度下的電磁波(用s⑷表示)的場矢量，并將該電磁波的場強在垂直于電磁波傳播方向的平
面中投影到相互垂直的6和識兩個方向上； 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)方法描述如下
首先，將原始坐標(biāo)系Cll^中的坐標(biāo)軸Xixjszjx繞其~軸方向旋轉(zhuǎn)角度鉤《 ,得到 一組中間坐標(biāo)軸；然后將此中間坐標(biāo)軸1 繞其>“軸旋轉(zhuǎn)角度氏tfH得到 坐標(biāo)系Chimei中的坐標(biāo)軸。其中Ψ^γχ)為天線在坐標(biāo)系C二中的角度表示。旋轉(zhuǎn)過程如圖2所示。兩組坐標(biāo)系下坐標(biāo)變換方法如下
權(quán)利要求
1.一種三維傳播環(huán)境中極化多天線信道模型的構(gòu)建方法，其特征在于該方法包括如下 步驟1)定義兩組坐標(biāo)系，發(fā)送端原始坐標(biāo)系和基于發(fā)送天線的坐標(biāo)系，所 有的離開角以及發(fā)送天線的放置角度定義是在CH-中的，而為用于計算電磁波 極化方向的輔助坐標(biāo)系；對于以任意角度放置的發(fā)送天線，通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法，使坐標(biāo) 系C=—中的Z ‘ τχ軸與該發(fā)送天線的軸向一致，在坐標(biāo)系中計算得到電磁波 的場矢量后，再通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的逆過程計算得到場矢量在原始坐標(biāo)系C^g中的矢量表 示，從而得到以任意角度擺放的天線所激勵的在任意出射角度下的電磁波S(t)的場矢量， 并將該電磁波的場強在垂直于電磁波傳播方向的平面中投影到C^-的子午平面的θ方 向和赤道平面的識方向上；2)按重新定義的θ方向到接收端原始坐標(biāo)系C^.-赤道平面的γ方向的極化鑒別率 方向到接收端原始坐標(biāo)系子午平面的Θ'方向的極化鑒別率，按矢量投影分解得到發(fā)生散射后的電磁波s' (t)在新的θ ‘和￠/兩個方向上的場強；3)定義兩組坐標(biāo)系，接收端原始坐標(biāo)系C=-和基于接收天線的坐標(biāo)系，所 有的到達(dá)角以及接收天線的放置角度是定義在的，而為用于計算電磁波 極化方向的輔助坐標(biāo)系；通過與步驟1)中相同的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法，計算得到以任意角度 放置的接收天線上接收到的散射后電磁波s' (t)的場強；4)依據(jù)來自文獻(xiàn)或?qū)崪y得到的經(jīng)驗概率分布，生成每一個散射體所對應(yīng)的三維到達(dá) 角、離開角，依照構(gòu)建步驟1) 步驟3)得到其對應(yīng)的接收場強，由接收場強得到基于每個 散射體的散射系數(shù)的模值；5)依據(jù)經(jīng)驗概率分布生成基于每一個散射體的散射和傳播過程引入的隨機相移，得到 基于每個散射體的散射系數(shù)的相位；6)對于每一收發(fā)天線對，將所有散射體所對應(yīng)的散射系數(shù)與天線陣列間距引入的固定 相移項相乘后疊加，得到極化多天線系統(tǒng)的信道矩陣；至此就得到了極化多天線系統(tǒng)的信道矩陣，完成了極化多天線信道模型的構(gòu)建。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維傳播環(huán)境中的極化多天線信道模型的構(gòu)建方法，其 特征在于在信道模型的構(gòu)建步驟1)和步驟3)中分別定義了兩組坐標(biāo)系，原始坐標(biāo)系 c^-、c〖i_和基于天線的坐標(biāo)系Wd、在原始坐標(biāo)系沖， 軸 方向為大地平面的法向方向， 軸方向為發(fā)送天線陣列寬邊方向，yTX軸方向為按照右手系 準(zhǔn)則通過χτχ軸和ζτχ軸所確定的方向；在原始坐標(biāo)系中，ζκχ軸方向為大地平面的法 向方向，Xkx軸方向為接收天線陣列寬邊方向，yKX軸方向為按照右手系準(zhǔn)則通過Xkx軸和Zkx 軸所確定的方向；在基于天線的坐標(biāo)系中，ζ' τχ軸為發(fā)送天線軸向方向，X' ^軸 為發(fā)送天線軸向在水平面內(nèi)的投影在該投影面內(nèi)向下旋轉(zhuǎn)9antTX角度后所處的方向，eantTX 為發(fā)送天線軸向與坐標(biāo)系C^g中^軸方向的夾角，y' ^軸方向為按照右手系準(zhǔn)則通過 χ' τχ軸和Ζ' τχ軸所確定的方向；在基于天線的坐標(biāo)系C=—中，ζ' κχ軸為接收天線 軸向方向，Χ' κχ軸為接收天線軸向在水平面內(nèi)的投影在該投影面內(nèi)向下旋轉(zhuǎn)Qantl 角度后 所處的方向，9antKX為接收天線軸向與坐標(biāo)系C^.-中^軸方向的夾角，y' κχ軸方向為按照右手系準(zhǔn)則通過Χ' κχ軸和ζ' κχ軸所確定的方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維傳播環(huán)境中的極化多天線信道模型的構(gòu)建方法，其特征 在于構(gòu)建步驟1)和構(gòu)建步驟3)中所述的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)方法為在構(gòu)建步驟1)中，首先，將 原始坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸^^τχζτχ繞其ζτχ軸方向旋轉(zhuǎn)角度，得到一組中間坐標(biāo)軸 χ" τχΥ' τχζτχ;然后將此中間坐標(biāo)軸χ" TXy' τχζτχ繞其y' τχ軸旋轉(zhuǎn)角度emtTX得到坐標(biāo) 系中的坐標(biāo)軸Χ' τχΥ' τχζ' ^;其中(^^，禮*)為天線在坐標(biāo)系〔二^中的角 度表示，θ antTX為發(fā)送天線軸向與坐標(biāo)系CH-中Ztx軸方向的夾角，％‘為發(fā)送天線軸向 與坐標(biāo)系軸方向的夾角；在構(gòu)建步驟3)中，首先，將原始坐標(biāo)系C^.-中的坐 標(biāo)軸xKXyKXzKX繞其ζ軸方向旋轉(zhuǎn)角度％ —，得到一組中間坐標(biāo)軸χ" EXy' κχζκχ ；然后將此 中間坐標(biāo)軸χ" EXy' 繞其y' κχ軸旋轉(zhuǎn)角度9antKX得到坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸 X Exy EXz ‘κχ ；其中(&■，％ ■)為接收天線在坐標(biāo)系〔二^中的角度表示，eantKX為接收 天線軸向與坐標(biāo)系中^軸方向的夾角，皿為接收天線軸向與坐標(biāo)系中^軸 方向的夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維傳播環(huán)境中的極化多天線信道模型的構(gòu)建方法，其特征 在于構(gòu)建步驟2)中定義了 θ方向到￠/方向的極化鑒別率夂ΡΑ^^Π^方向到Θ ‘方向的極化鑒別率γρη 該定義由以下兩式表示-.xpiK, = ^f-'XPD9ff =》；其中Pab表示由散射前A方向轉(zhuǎn)換到散射后的B方向上的電磁能量，其中A為θ或…B為θ ‘或一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維傳播環(huán)境中極化多天線信道模型的構(gòu)建方法，主要解決現(xiàn)有的一些三維多天線信道模型復(fù)雜度較高，不適于進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，不易獲得極化信道特性的問題。此模型通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)計算得到任意角度的天線激勵的任意出射角度的電磁波場矢量，投影到與傳播方向相垂直的和方向上；按新定義的極化鑒別率計算散射后的和方向上的場強；再旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計算得到任意角度的接收天線上的場強；依據(jù)經(jīng)驗分布生成每個散射體所對應(yīng)的三維到達(dá)角、離開角和隨機相移。對于每對收發(fā)天線，將所有散射體的散射系數(shù)與天線陣固定相移項相乘后疊加，得到信道矩陣。本發(fā)明具有計算簡單，使用靈活，對物理傳播過程描述全面的優(yōu)點，可用于理論分析或系統(tǒng)鏈路仿真。
文檔編號H04B17/00GK102064864SQ20101059615
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者王玨, 趙嘉寧, 高西奇 申請人:東南大學(xué)