本發(fā)明涉及業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道，尤其是指一種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)建模方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(iiot)代表了第六代(6g)通信系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場景。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景中，各種機(jī)器相互連接，極大程度提高了工作效率。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境具有眾多機(jī)器和移動單元。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信道衰落條件的復(fù)雜性對建立可靠的信道模型提出了重大挑戰(zhàn)。超可靠低延遲通信(urllc)和大規(guī)模機(jī)器型通信(mmtc)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。建立通用的iiot通道模型對于urllc和mmtc是必要的。

2、在過去幾十年，一些信道模型被提出用于研究工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道，這些信道模型可以將其概括為兩種類型：第一類是關(guān)注于信道傳播特征的研究，目前關(guān)于工業(yè)特性的研究主要集中在低頻段；第二類是對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的cir進(jìn)行建模，其基本上利用泊松分布或高斯分布對散射體進(jìn)行建模。

3、目前，幾何隨機(jī)模型因其高精度和通用性，已成為研究工業(yè)信道的關(guān)鍵技術(shù)。此外，隨著無線頻譜資源的日益短缺，毫米波頻段的開發(fā)成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。大規(guī)模多輸入多輸出(multi-input?multi-output,mimo)技術(shù)能同時(shí)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多個(gè)用戶提供服務(wù)。所以，將大規(guī)模mimo技術(shù)與毫米波通信技術(shù)相結(jié)合，有望構(gòu)建超可靠低時(shí)延的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)。然而，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道中，信道的非平穩(wěn)特性不容忽視，目前對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道非平穩(wěn)特性模擬中缺乏對移動方向?qū)е碌膱鼍岸鄻有缘目紤]。因此，建立一個(gè)基于移動方向?qū)I(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的動態(tài)和非平穩(wěn)特征進(jìn)行建模的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)模型是至關(guān)重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道非平穩(wěn)特性模擬中缺乏對移動方向?qū)е碌膱鼍岸鄻有缘目紤]的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)建模方法，包括：

3、步驟s1：建立表征工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的信道沖激響應(yīng)模型，并在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的發(fā)射端與接收端之間構(gòu)建關(guān)于散射體的有效簇；

4、步驟s2：對所述信道沖激響應(yīng)模型的參數(shù)進(jìn)行建模，其中，參數(shù)包括角度、位置和時(shí)延；

5、步驟s3：基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道空間非平穩(wěn)特性，分別獲取發(fā)射端和接收端相對于散射體的運(yùn)動方向，計(jì)算有效簇相對于發(fā)射端和接收端之間的幸存概率，獲得更新后的有效簇，其中，所述更新后的有效簇包括幸存的簇和新生簇；

6、步驟s4：基于步驟s2構(gòu)建的信道沖激響應(yīng)模型的參數(shù)對所述更新后的有效簇進(jìn)行角度、位置和時(shí)延的參數(shù)更新。

7、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s1中將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道中發(fā)射端與接收端之間多徑經(jīng)過的散射體建模為有效簇的方法為：

8、對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道中發(fā)射端與接收端之間的散射環(huán)境，將路徑經(jīng)過散射體后、且多條路徑對應(yīng)反射點(diǎn)的散射角度小于預(yù)設(shè)角度的散射體建模為有效簇clustern，并且對于clustern只考慮發(fā)射端tx到第一次反彈的簇以及接收端rx前最后一次反彈的簇發(fā)射端tx和接收端rx中間的多次反射過程用虛擬鏈路表示。

9、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s1中建立表征工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的信道沖激響應(yīng)模型的方法為：

10、使用mt×mr矩陣h＝hqp(t,τ)表示信道沖激響應(yīng)模型，其中，mt表示發(fā)射端天線數(shù)量，mr表示接收端天線數(shù)量，hqp(t,τ)為發(fā)射端天線與接收端天線之間的沖激響應(yīng)，表示為：

11、

12、式中，k表示萊斯因子，n(t)表示有效簇的數(shù)量，mn(t)表示clustern內(nèi)的射線數(shù)量，δ(τ)表示沖激響應(yīng)函數(shù)，τlos(t)表示los分量的延遲，τn(t)表示clustern的延遲，表示clustern中射線的相對延遲，los分量和nlos分量分別為：

13、

14、式中，v和h分別表示垂直極化和水平極化，函數(shù)ft(a,b)和fr(a,b)是天線方向圖，分別為發(fā)射端天線與接收端天線位置矢量，表示los環(huán)境下與間向量，表示nlos環(huán)境下clustern中第m條射線反射點(diǎn)與間的向量，表示clustern中第m條射線反射點(diǎn)與間向量，κ為交叉極化比，隨機(jī)相位均勻分布在(0,2π]中，分別表示與間、clustern中第m條射線與間、clustern中第m條射線與間的多普勒頻移。

15、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s2中對所述信道沖激響應(yīng)模型的參數(shù)進(jìn)行建模的方法為：

16、設(shè)散射體初始數(shù)量遵循高斯分布，每個(gè)散射體中射線數(shù)量遵循泊松分布；

17、計(jì)算clustern中第m條射線反射點(diǎn)的角度：clustern的初始角度通過高斯分布估計(jì)，再通過添加角度偏移，得到clustern中第m條射線的角度，公式為：

18、

19、其中，是射線的角度偏移，其服從均值為零，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1度的拉普拉斯分布；

20、由于只計(jì)算clustern的三維坐標(biāo)，因此只需考慮發(fā)射端tx和接收端rx到clustern的角度將簡寫為根據(jù)角度結(jié)果，使用發(fā)射端tx和接收端rx與clustern間的向量表示clustern的三維坐標(biāo)；其中，發(fā)射端tx和接收端rx到clustern間的向量分別為：

21、

22、式中，和服從指數(shù)分布，分別表示發(fā)射端/接收端到clustern的距離，d表示發(fā)射端到接收端的向量；對于los分量，時(shí)延為發(fā)射端到接收端的時(shí)延；對于nlos分量，一條完整路徑的時(shí)延由第一次反彈的時(shí)延、最后一次反彈的時(shí)延以及虛擬鏈路的時(shí)延組成；由和得到los分量和nlos分量的時(shí)延分別為：

23、

24、

25、式中，τlos表示nlos分量的時(shí)延，τn表示los分量的時(shí)延，c表示光速，表示虛擬鏈路的時(shí)延，遵循指數(shù)分布：

26、

27、式中，un遵循(0,1]的均勻分布，rτ、στ分別為場景相關(guān)的時(shí)延因子和隨機(jī)生成的時(shí)延擴(kuò)展。

28、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s3中計(jì)算有效簇相對于發(fā)射端和接收端之間的消失概率與幸存概率的方法為：

29、對于clustern，計(jì)算發(fā)射端tx、接收端rx與clustern的相對速度δvt和δvr：

30、

31、式中，vt表示發(fā)射端速度，表示速度，vr表示接收端速度，表示速度；

32、對δvt和δvr進(jìn)行速度分解，得到δvr、δvt沿tx、rx間連線方向的分解量以及δvrδvt沿垂直于tx、rx間連線方向的分解量計(jì)算兩個(gè)方向的速度貢獻(xiàn)量：

33、

34、式中，qh和qv為場景相關(guān)的速度貢獻(xiàn)參數(shù)，δvh表示沿tx、rx間連線方向的速度貢獻(xiàn)量，δvv表示垂直于tx、rx間連線方向的速度貢獻(xiàn)量；最后，在t＝t+δt時(shí)刻，有效簇的幸存概率被建模為：

35、

36、式中，λr為有效簇的死亡率，為空間和時(shí)間域上的情景相關(guān)系數(shù)；t＝t+δt時(shí)刻新生簇的數(shù)量服從均值為e[nnew(t+δt)]的泊松分布：

37、

38、式中，λg為簇的生成率。

39、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s4中基于步驟s2構(gòu)建的信道沖激響應(yīng)模型的參數(shù)對所述更新后的有效簇進(jìn)行角度、位置和時(shí)延的參數(shù)更新的方法為：

40、對于在步驟s3中得到的幸存的簇，進(jìn)行參數(shù)的更新：

41、在t＝t+δt時(shí)刻，更新幸存的簇的位置參數(shù)，新的位置參數(shù)計(jì)算為：

42、

43、式中，表示clustern第一次反彈和最后一次反彈的速度；

44、根據(jù)計(jì)算得到的新的位置參數(shù)計(jì)算更新角度：

45、

46、根據(jù)更新幸存的簇的時(shí)延。

47、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)建模系統(tǒng)，包括：

48、構(gòu)建模塊：用于建立表征工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的信道沖激響應(yīng)模型，并在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的發(fā)射端與接收端之間構(gòu)建關(guān)于散射體的有效簇；

49、參數(shù)建模模塊：用于對所述信道沖激響應(yīng)模型的參數(shù)進(jìn)行建模，其中，參數(shù)包括角度、位置和時(shí)延；

50、更新模塊：用于基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道空間非平穩(wěn)特性，分別獲取發(fā)射端和接收端相對于散射體的運(yùn)動方向，計(jì)算有效簇相對于發(fā)射端和接收端之間的幸存概率，獲得更新后的有效簇，其中，所述更新后的有效簇包括幸存的簇和新生簇；

51、參數(shù)更新模塊：用于基于參數(shù)建模模塊構(gòu)建的信道沖激響應(yīng)模型的參數(shù)對所述更新后的有效簇進(jìn)行角度、位置和時(shí)延的參數(shù)更新。

52、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)建模方法的步驟。

53、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)如上述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)建模方法的步驟。

54、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)建模方法的步驟。

55、本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

56、本發(fā)明所述的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的幾何隨機(jī)建模方法能夠基于速度分解，對不同移動方向?qū)е碌男诺婪瞧椒€(wěn)特性的差別進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道特征的準(zhǔn)確建模；

57、本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)對比正面構(gòu)建的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道的信道沖激響應(yīng)模型在毫米波頻段的有效性，表明本發(fā)明可以用于實(shí)際工程中。