一种面向煤矿井下智能超表面无线通信的非视距信道建模方法技术

本发明专利技术提供了一种面向煤矿井下智能超表面无线通信的非视距信道建模方法，该建模方法可以用于煤矿井下受限空间复杂多径衰落和智能超表面被动中继的特征识别与提取，以及路径损耗、散射簇分布和多径时延等参数获取。基于实际信道测量数据和传播场景空间重构方法，将原本传播场景中的环境结构通过位置、纹理和反射特性建立相应的散射体数字地图，并将智能超表面等效为虚拟散射体，能够有效降低分析建模难度，然后将实际散射体与多径分簇结果进行匹配形成簇核，将非视距信道建模过程转化为多条直射路径的分析与建模，能够有效满足煤矿井下无线通信系统的建模要求，有效降低了建模过程复杂度和难度。复杂度和难度。复杂度和难度。

【技术实现步骤摘要】
一种面向煤矿井下智能超表面无线通信的非视距信道建模方法


[0001]本专利技术涉及煤矿井下无线通信领域，具体涉及一种面向煤矿井下智能超表面无线通信的非视距信道建模方法。

技术介绍

[0002]煤矿井下普遍存在的巷道转弯、岔道、硐室、设备遮挡等非视距传播场景，导致通信小区边缘覆盖困难和无线信号覆盖盲区、盲点。而且采掘工作面、盘区等愈是重要、关键的生产场所，空间动态变化、设备移动遮挡、粉尘水雾等干扰愈明显，无线信号有效可靠覆盖愈是困难，盲点和盲区影响愈是严重。传统解决手段主要是增加中继基站或引入漏泄电缆模式，但会带来建设使用成本高、维护使用困难、信号覆盖重叠干扰、移动终端基站切换频繁等新问题，后者还导致系统结构复杂等问题。近年出现的智能超表面为人工重塑无线信道提供了可能，在提高非视距传播场景无线传输、覆盖能力方面展现了巨大潜力，受到广泛关注，并被列为下一代移动通信网络的关键备选技术之一。此外，智能超表面作为无源器件，功耗、成本低，部署更加容易，特别适合供电困难、对有源设备存在苛刻防爆要求的煤矿井下场景。这为解决煤矿井下非视距传播场景无线覆盖提供了新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向煤矿井下智能超表面无线通信的非视距信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据待测量的煤矿井下环境中既有或未来需要的无线通信系统，选择用于多输入多输出智能超表面无线通信系统的信道测量平台的参数，并搭建信道测量平台的发射端、智能超表面和接收端；步骤2：对信道测量平台自身特性进行测定与校准；步骤3：在待测量的煤矿井下无线通信场景中，部署已经经过测定和校准的信道测量平台，实地进行信道测量，并通过天线高速切换模块控制发射天线阵列、智能超表面和接收天线阵列的工作状态，基于时分多址原理依次测量每一个发射天线单元、每一个智能超表面阵列单元与每一接收天线单元之间的非视距信道冲击响应，并存储于数据存储单元；步骤4：在待测量的煤矿井下无线通信场景中，部署激光雷达，利用同步定位与建图技术对信道测量现场进行三维图像扫描与重构，采集和标定物体的位置、纹理特征和反射特性；步骤5：完成煤矿井下无线通信场景实地测量后，在地面通过计算机视觉方法对同步定位与建图技术测量数据和结果进行图像语义分割，并与现场各个物体进行匹配，形成散射体数字地图，并根据之前测定的智能超表面阵列特性，将智能超表面等效为一个虚拟散射体，插入到散射体数字地图；步骤6：完成煤矿井下无线通信场景实地测量后，在地面利用滑动相关方法得到完整的多输入多输出智能超表面无线通信系统信道冲击响应矩阵，并形成测量结果数据集，通过SAGE算法，从测量结果数据集中获取信道参数，然后通过K邻近聚类算法进行多径分簇，确定散射簇数目、簇内时延、簇内角度扩展参数；步骤7：结合多径分簇结果与散射体地图，通过增强学习将散射簇与散射体相互匹配，获得有限个多径散射体簇和一个智能超表面等效簇核；步骤8：以簇核为节点，无线信号经过的非视距传播链路分解拆分为两个以上逻辑子信道，通过将逻辑子信道相互连接形成传播路径，得到连接节点依次为发射天线单元、簇核和接收天线单元的有效传播路径，如果传播路径的终点不是接收天线单元，则为可以排除的无效传播路径；步骤9：将所有有效传播路径进行合并得到发送端Tx到接收端Rx的信道冲击响应，得到当前场景中面向煤矿井下智能超表面无线通信的非视距信道模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述信道测量平台的发射端、智能超表面和接收端的组成包括发射天线阵列、接收天线阵列、智能超表面、同步时钟、信号发生器、信号接收器、数据存储单元、控制终端，其中，所述信道测量平台的参数包括发射信号参数、发射天线阵列参数、智能超表面参数以及接收天线阵列参数，发射信号参数包括待测量频率范围、发射信号功率大小、发射信号类型，所述发射天线阵列、智能超表面和接收天线阵列参数包括天线单元或阵列单元的数量、间隔距离、位置和朝向。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述信道测量平台自身特性包括测定与校准天线馈电发送功率误差、高频同轴线缆传输损耗、转接头插入损耗、发射天线阵列、智能超表面阵列、接收天线阵列和其他仪器设备系统响应误差。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，用天线高速切换模块实现发射天
线阵列、均匀矩形RIS阵列和接收天线阵列之间时分多址接入，其中，发射天线阵列共有M
T
个发射天线单元，接收天线阵列共有M
R
个接收天线单元，RIS阵列共有MN个RIS阵列单元，M和N分别为矩形长边和窄边上RIS阵列单元数量；在每个时隙仅测量一种发射天线单元、RIS阵列单元和接收天线单元组合，依次测量得到每一个发射天线单元、每一个智能超表面阵列单元与每一个接收天线单元之间的非视距信道冲击响应，在遍历完毕所有组合后得到一个信道采样快拍，具体包括：定义如下激活时间函数定义如下激活时间函数所述激活时间函数的激活时间范围为从0到时刻目的是用于控制在时刻t处，是否激活发射天线单元、智能超表面单元或接收天线单元，1表示激活，0表示未激活；对于第l个信道采样快拍，按照激活时间函数的定义，第p个发射天线单元的激活时间函数第q个接收天线单元的激活时间函数和第r个RIS阵列单元的激活时间函数分别为：分别为：分别为：其中，T
T
为单个发射天线单元的激活时间，T
R
为单个接收天线单元的激活时间，T
RIS
为单个RIS阵列单元的激活时间，遍历所有发射天线单元、RIS阵列单元和接收天线单元组合的周期为T
cycle
，M
S
为信道采样快拍数目；发射信号u(t)表示为：其中，s(t)为PN序列信号，向量其中，s(t)为PN序列信号，向量其中，s(t)为PN序列信号，向量和分别为第1个发射天线单元的激活时间函数、第2个发射天线单元的激活时间函数和第M
T
个发射天线单元的激活时间函数；经过RIS反射后的信号为：其中，Φ为RIS阵列响应矩阵，为发射天线阵列到RIS阵列的信道转移矩阵，为传播时延，上标T为矩阵转置运算符，向量
和分别为第1个RIS阵列单元的激活时间函数、第2个RIS阵列单元的激活时间函数和第MN个RIS阵列单元的激活时间函数；接收天线阵列收到的信号向量y(t)为：其中，为RIS阵列到接收天线阵列的信道转移矩阵，其中为传播时延，H
NLoS
(t,τ
NLoS
)为发射天线阵列到接收天线阵列的NLOS信道转移矩阵，其中τ
NLoS
为传输时延，n(t)为复高斯白噪声向量；最终，每次测量时获得的接收信号Y(t)为：其中，向量其中，向量和分别为第1个接收天线单元的激活时间函数、第2个接收天线单元的激活时间函数和第M
R
个接收天线单元的激活时间函数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6包括：无线信号以簇的形式到达接收天线阵列，在第n个簇分量中，从第p个发射天线单元到第q个接收天线单元的信道h
p,q,n
(t)表示为：其中，M
c
表示第n个簇分量中的子径个数，α
n,m
、Ψ
n,m
、v
n,m
和τ
n...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世银，杨瑞鑫，马帅，沈胜强，张鹏，张梦迪，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：