一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法技术

本发明专利技术涉及一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法，具体包括以下步骤：（1）构建初始虚拟散射信道模型,并定义虚拟散射信道模型的移动发射端MT到移动接收端MR的模型参数；（2）信号经历奇数次反射路径到达移动接收端MR时,计算椭圆虚拟散射信道模型的模型参数；（3）信号经历偶数次反射路径到达移动接收端MR时,计算椭圆虚拟散射信道模型的模型参数；（4）给出虚拟散射信道模型中的散射体分布密度函数表达式；（5）推导本发明专利技术的信道模型在不同收发端运动方向下的多普勒功率谱分布。本发明专利技术能够准确的描述5G车载移动通信环境，为5G无线通信系统信道测量、建模与估计提供了重要的理论参考和设计分析基础,具有非常重要的理论和应用价值。

A virtual geometric channel construction method for 5g communication in urban street environment

【技术实现步骤摘要】
一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法
本专利技术涉及信道模型
，具体涉及一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法。
技术介绍
当前,虽然移动互联网得到了快速地发展,但4G通信网络中仍存在一些技术难点未被攻克,比如频谱危机以及高能耗的问题。5G通信网络与过去的4G通信网络相比,能够提供更高的传输容量、频谱利用率、能量效率、移动性和数据速率等等。为了满足5G通信的需求,研究分析无线通信系统中的移动发射端(MobileTransmitter,MT)与移动接收端(MobileReceiver,MR)之间的无线信道环境显得尤为重要。在多径信道中,发射角度(AngleofDeparture,AoD)和接收角度(AngleofArrival,AoA)的概率密度函数分布能够准确地用来分析评估无线通信系统的性能。到目前为止,国内外很多研究团队针对移动通信环境提出了多种几何信道模型。然而,当前文献主要假设发射端发出的信号经过单次反射到达接收端,而对于信号经过多次反射到达接收端的情况并没有进行分析。因此,要想描述城市街道移动通信环境,需要提出一种虚拟散射信道模型来描述多次传输路径的情况。针对上述技术难点,M.Marques和M.Correia提出了有效街道宽度的概念。后来,M.Ghoraishi提出了一种虚拟的几何散射信道模型,其中将两次以及三次反射下的传输路径等效为单次反射下的传输路径。与此同时,通过在Tokyo以及Yokohama进行了实验测量,M.Ghoraishi提出了一种极化情况下的信道模型。M.Patzold提出了宽带MIMO多天线几何信道模型,但是没有分析MT和MR的相对运动速度和方向对于信道传输特性的影响；同时,M.Patzold提出的信道模型仍然集中描述信号经过单次反射到达接收端的情况。N.Avazov针对城市街道宏小区无线通信环境,提出了一种经典的椭圆信道模型,其中主要考虑到直达路径(Line-of-Sight,LoS)以及单次反射路径的情况,但并没有分析多次反射路径对于传输特性的影响。G.R.MacCartney通过在城市街道环境中进行了实验测量,指出路径损耗模型能够有效地描述5G通信环境。C.X.Wang提出了一种新型的车载几何信道模型,其中采用双环模型描述MT与MR附近运动的车辆分布,采用椭圆模型描述路边静止的建筑物分布；与此同时,作者描述的传输信号经过LoS、单次反射以及两次反射到达MR。针对60GHz城市街道移动通信环境,M.E.Rasekh提出了一种街道峡谷近似几何信道模型。M.E.Rasekh提出了采用一种非确定性几何信道模型来描述车载通信环境,但只考虑传输信号经过单次以及两次反射到达接收端的情况,并不能有效地描述实际的移动通信环境中信号经过多次反射的情况。此外,结合以上论述可以发现,过去信道模型对于传输特性的分析仍停留在时域分析的阶段,并没有研究车载移动通信环境中MR的运动对于多普勒频移的影响。本专利技术提出了一种虚拟散射几何信道模型,其中主要采用椭圆模型描述无线信道中的路边建筑物的分布。基于此,在提出的虚拟散射信道模型中,我们将信号经过多次反射到达接收端的情况等效为单次反射的情况。研究表明,提出的信道模型能够描述奇数次反射下的传输路径和偶数次反射下的传输路径的移动通信环境。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法来解决车载移动通信环境中MR的运动对于多普勒频移的影响。为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：提供一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：(1)构建用于5G通信的初始虚拟散射信道模型,并定义虚拟散射信道模型的移动发射端MT到移动接收端MR的多径信道模型参数，其中，移动发射端MT和移动接收端MR分别通过设置有MT和MR根线型全向天线组成天线阵元，所述椭圆虚拟散射信道模型的椭圆外围即为散射体；(2)当信号经历奇数次反射路径到达移动接收端MR时,计算出椭圆虚拟散射信道模型的各模型参数；(3)当信号经历偶数次反射路径到达移动接收端MR时,计算出椭圆虚拟散射信道模型的各模型参数；(4)根据步骤(2)和(3)分别计算出的椭圆虚拟散射信道模型的各模型参数,定义椭圆虚拟散射信道模型中的散射体分布密度函数为：其中Ax和Ay分别表示信号在x轴与y轴上的损耗系数,而Cxy是信道常数，所述散射体分布密度函数经过雅克比坐标转换,得出移动发射端MT关于发射角度和发射路径长度的AoD联合概率密度函数可以表示为：同样的，移动接收端MR关于发射角度和发射路径长度的AoA联合概率密度函数可以求解为：引入阈值角度参数θt1和θt2(θt1≤θt2)，θt1和θt2分别表示为：并根据移动发送端MT和移动接收端MR关于发射角度和发射路径长度的联合概率密度函数分别计算移动发射端MT和移动接收端MR端接收信号在水平面上的概率密度分布；(5)基于步骤(4)得到的移动接收端MR的AoA的概率密度函数,推导本专利技术的信道模型在不同收发端运动方向下的多普勒功率谱分布，当MR朝着MT的方向运动时,φv＝0，移动接收端MR的多普勒功率谱分布函数表示为：当接收端垂直于LoS运动时,φv＝π/2,移动接收端MR的多普勒功率谱分布函数表示为：(6)通过步骤(2)-(5)计算出的用于5G通信的虚拟几何信道模型的各模型参数、虚拟几何信道模型内的移动发送端MT的AoD联合概率密度函数、移动接收端MR的AoA联合概率密度函数以及虚拟几何信道模型的多普勒功率谱分布来对步骤(1)构建的初始虚拟几何信道模型的特性进行描述，将初始虚拟几何信道模型具体化，从而实现虚拟几何信道的建立。进一步的，所述步骤(1)中的移动发射端MT到移动接收端MR的多径信道模型参数包括：移动发射端MT到移动接收端MR的距离为D、椭圆模型的实轴和虚轴的长度分别为a和b、移动发射端MT和移动接收端MR的天线阵元的间距分别为δT和δR、天线主瓣宽度α、移动发射端天线和移动接收端天线与x轴的夹角分别为ψT和ψR、MT和MR的连线与x轴的夹角表示为θ、移动发射端MT发出的信号与散射体的连线与x轴的夹角为θb、移动接收端MR接收到的信号与散射体的连线与x轴的夹角表示为θm、移动发送端MT和移动接收端MR到散射边界的几何距离分别为rb和rm、MT端天线的发射角度表示为MR的运动方向表示为φ。进一步的，所述步骤(2)中计算出椭圆虚拟散射信道模型的各模型参数的方法为：若移动发射端MR和移动接收端MT均在椭圆虚拟散射信道模型的焦点连线上，此时θ＝0，移动接收端MR与移动发射端MT的连接线与路边的水平街道平行，定义移动接收端MR与移动发射端MT的连接线为x轴,得出椭圆虚拟散射信道模型的焦距比移动接收端MR与移动发射端MT之间的距离要长,信号经历奇数次反射路径时的函数关系式为此时,椭圆虚拟散射信道模型的实轴与虚轴分别求解为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法，其特征在于：具体包括以下步骤：/n(1)构建用于5G通信的初始虚拟散射信道模型,并定义虚拟散射信道模型的移动发射端MT到移动接收端MR的多径信道模型参数，其中，移动发射端MT和移动接收端MR分别通过设置有M

【技术特征摘要】
1.一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)构建用于5G通信的初始虚拟散射信道模型,并定义虚拟散射信道模型的移动发射端MT到移动接收端MR的多径信道模型参数，其中，移动发射端MT和移动接收端MR分别通过设置有MT和MR根线型全向天线组成天线阵元，所述椭圆虚拟散射信道模型的椭圆外围即为散射体；
(2)当信号经历奇数次反射路径到达移动接收端MR时,计算出椭圆虚拟散射信道模型的各模型参数；
(3)当信号经历偶数次反射路径到达移动接收端MR时,计算出椭圆虚拟散射信道模型的各模型参数；
(4)根据步骤(2)和(3)分别计算出的椭圆虚拟散射信道模型的各模型参数,定义椭圆虚拟散射信道模型中的散射体分布密度函数为：



其中Ax和Ay分别表示信号在x轴与y轴上的损耗系数,而Cxy是信道常数，所述散射体分布密度函数经过雅克比坐标转换,得出移动发射端MT关于发射角度和发射路径长度的AoD联合概率密度函数可以表示为：



同样的，移动接收端MR关于发射角度和发射路径长度的AoA联合概率密度函数可以求解为：



引入阈值角度参数θt1和θt2(θt1≤θt2)，θt1和θt2分别表示为：



并根据移动发送端MT和移动接收端MR关于发射角度和发射路径长度的联合概率密度函数分别计算移动发射端MT和移动接收端MR端接收信号在水平面上的概率密度分布；
(5)基于步骤(4)得到的移动接收端MR的AoA的概率密度函数,推导虚拟信道模型在不同收发端运动方向下的多普勒功率谱分布，当MR朝着MT的方向运动时,φv＝0，移动接收端MR的多普勒功率谱分布函数表示为：



当接收端垂直于LoS运动时,φv＝π/2,移动接收端MR的多普勒功率谱分布函数表示为：



(6)通过步骤(2)-(5)计算出的用于5G通信的虚拟几何信道模型的各模型参数、移动发送端MT的AoD联合概率密度函数、移动接收端MR的AoA联合概率密度函数以及虚拟几何信道模型的多普勒功率谱分布来对步骤(1)构建的初始虚拟几何信道模型的特性进行描述，将初始虚拟几何信道模型具体化，从而实现虚拟几何信道的建立。


2.根据权利要求1所述的一种城市街道环境下用于5G通信的虚拟几何信道建立方法，其特征在于：所述步骤(1)中的移动发射端MT到移动接收端MR的多径信道模型参数包括：移动发射端MT到移动接收端MR的距离为D、椭圆模型的实轴和虚轴的长度分别为a和b、移动发射端MT和移动接收端MR的天线阵元的间距分别为δT和δR、天线主瓣宽度α、移动发射端天线和移动接收端天线与x轴的夹角分别为ψT和ψR、MT和MR的连线与x轴的夹角表示为θ、移动发射端MT发出的信号与散射体的连线与x轴的夹角为θb、移动接收端MR接收到的信号与散射体的连线与x轴的夹角表示为θm、移动发送端MT和移...

【专利技术属性】
技术研发人员：江浩，周杰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32