一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法及系统，方法包括以下步骤：天线方向图进行频率和空间的二维建模：将关注的空间区域按球面划分为M

【技术实现步骤摘要】
一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法及系统


[0001]本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法及系统。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的发展，天线对于通信系统性能的影响研究被越来越重视，怎样的“天线方向性”能更好的适配通信信道成为一个研究点。建立在TR38.961的随机几何信道数学建模的基础上，天线的方向性是计算信道系数的一个重要参数。容量是对信道能达到的通信速率极值的描述。频率选择性信道中，常将信道划分为多个频段下的平衰落信道，各频段的容量之和用来描述频选信道的容量。本专利技术中，容量最大对应的天线方向性定义为最优的天线方向图。

技术实现思路

[0003]为了解决频率选择性信道下的最优天线方向图求解问题，本专利技术提供了一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法，在频选信道下给出了天线方向性的设计指导，同时给出了信道的容量极限。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法，包括以下步骤：
[0005]S01，对天线方向图进行频率和空间的二维建模：在频率维度，在关注的频率范围内，天线方向图不随频率变化；在空间维度，将关注的空间区域按球面划分，即将theta分为M个区间、将phi分为N个区间，于是构成M
×
N个空间区域，在每一份空间区域里，天线的辐射特性相同；
[0006]S02，系统建模和构建优化问题：通信环境为发送端和接收端的下行链路，用户分布在φ∈[
‑
60
°
，+60
°
]的扇形区域内；发送端的天线数量为Tx，接收端的天线数量为Rx，构成Rx*Tx的MIMO信道；发送端的天线为方向图可重构天线，接收端的天线为全向天线；信道环境为频率选择性信道，且用随机几何描述的NLos多径环境，多径数量为L；建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系；基于频率选择性信道下信道容量和天线方向图、多径环境的关系；使信道容量最大的天线方向图为最优天线方向图，约束为发射天线的总功率为P，得到优化问题；
[0007]S03，解算优化问题：基于S2所述优化问题，使用辅助变量和交替优化算法计算最优的天线方向图并确定发端天线的功率分配。
[0008]S01中，将theta分为M个区间，在
‑
30
°
～+30
°
内每区间为60
°
/M，将phi分为N个区间，在
‑
60
°
～+60
°
内每区间为120
°
/N。
[0009]S02中，建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系时包括：随机几何信道模型下，频点k上的信道矩阵H
k
表示为发端天线方向图矩阵和多径环境矩阵的乘积，如表达式(1)所示：
[0010][0011]α
l,k
＝κ
k
d
r
*cos(AoA
l,k
)cos(ZoA
l,k
),
ꢀꢀꢀꢀ
(1b)
[0012]β
l,k
＝κ
k
d
t
*cos(AoD
l,k
)cos(ZoD
l,k
),
ꢀꢀꢀꢀ
(1c)
[0013]其中，a
l,k
(l＝1,
…
,L)表示频点k上第l条簇上的增益；ft
tx
(AoD
l,k
,ZoD
l,k
)表示第tx个发送天线在第l条簇所在方向上的方向性，AoD
l,k
,ZoD
l,k
表示的是频点k上第l条簇的离去方位角和俯仰角；κ
k
表示频点k上的波数；d
r
表示均匀接收线阵中两个相邻天线的距离；d
t
表示均匀发送天线线阵中两个相邻天线的距离；α
l,k
表示在频点k上两个相邻的接收天线在第l条簇上由于距离引起的波程相位差；β
l,k
表示在频点k上两个相邻的发送天线在第l条簇上由于距离引起的波程相位差；
[0014]在不同的频点上，将发端天线方向图矩阵的大小扩充为MN
×
MN；对环境簇矩阵由Rx*L维扩充为Rx
×
MN维，L条簇所在的空间区域里，a
i,k
为原簇增益，其它空间区域里，a
i,k
为0，如表达式(2)所示，
[0015][0016]其中，a
i,k
(i＝1,
…
,MN)表示在划分的MN个空间角度里簇的增益，若某个空间角度里没有簇的存在，则虚拟出一个增益为0的簇；
[0017]扩维后同时忽略频率对波数κ
k
的影响，任何频点的波数统一表示为κ，将表达式(1)改写为(3)
[0018][0019][0020]β
i
＝κd
t
*cos(AoD
i
)cos(ZoD
i
),
ꢀꢀꢀꢀ
(3c)
[0021]其中，(AoD
i
，ZoD
i
)和(AoA
i
，ZoA
i
)为划分的M
×
N个区域中第i个区域对应的phi和theta的角度中值；α
i,k
(i＝1,
…
,MN)表示落在第i个区域中的簇在两个相邻接收天线上因为距离产生的波程相位差；β
i
表示落在第i个区域中的簇在两个相邻发送天线上因为距离产生的波程相位差。
[0022]S02中，频率选择性信道下容量表达式如(4)所示，频率选择性信道分为K个频段：
[0023][0024][0025][0026][0027][0028]其中，C表示信道容量；I
Rx
表示维度为Rx的单位阵；P是发端总功率；σ2为接收端的噪声功率；K表示频点的数量；Rss
k
(k＝1,
…
,K)表示第k个频点上的发端数据流的互相关矩阵；P
tx,k
(tx＝1,
…
,Tx)表示第k个频点上第tx个天线上的功率；将第k个频点上由环境簇增益和接收天线相位差组成的矩阵表示为将发送天线方向性和发送天线相位差组成的矩阵表示为F。
[0029]S02中构建的优化问题如表达式(5)所示：
[0030][0031]subject to ∑
k
∑
tx
P
tx,k
＝P
ꢀꢀꢀꢀ
(5b)
[0032]∑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S01，对天线方向图进行频率和空间的二维建模：在频率维度，在关注的频率范围内，天线方向图不随频率变化；在空间维度，将关注的空间区域按球面划分，即将theta分为M个区间、将phi分为N个区间，于是构成M
×
N个空间区域，在每一份空间区域里，天线的辐射特性相同；S02，系统建模和构建优化问题：通信环境为发送端和接收端的下行链路，用户分布在φ∈[
‑
60
°
，+60
°
]的扇形区域内；发送端的天线数量为Tx，接收端的天线数量为Rx，构成Rx*Tx的MIMO信道；发送端的天线为方向图可重构天线，接收端的天线为全向天线；信道环境为频率选择性信道，且用随机几何描述的NLos多径环境，多径数量为L；建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系；基于频率选择性信道下信道容量和天线方向图、多径环境的关系；使信道容量最大的天线方向图为最优天线方向图，约束为发射天线的总功率为P，得到优化问题；S03，解算优化问题：基于S2所述优化问题，使用辅助变量和交替优化算法计算最优的天线方向图并确定发端天线的功率分配。2.根据权利要求1所述的频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法，其特征在于，S01中，将theta分为M个区间，在
‑
30
°
～+30
°
内每区间为60
°
/M，将phi分为N个区间，在
‑
60
°
～+60
°
内每区间为120
°
/N。3.根据权利要求1所述的一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法，其特征在于，S02中，建立天线方向图矩阵、多径环境矩阵和信道矩阵的关系时包括：随机几何信道模型下，频点k上的信道矩阵H
k
表示为发端天线方向图矩阵和多径环境矩阵的乘积，如表达式(1)所示：α
l,k
＝κ
k
d
r
*cos(AoA
l,k
)cos(ZoA
l,k
),
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1b)β
l,k
＝κ
k
d
t
*cos(AoD
l,k
)cos(ZoD
l,k
),
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1c)其中，a
l,k
(l＝1,
…
,L)表示频点k上第l条簇上的增益；ft
tx
(AoD
l,k
,ZoD
l,k
)表示第tx个发送天线在第l条簇所在方向上的方向性，AoD
l,k
,ZoD
l,k
表示的是频点k上第l条簇的离去方位角和俯仰角；κ
k
表示频点k上的波数；d
r
表示均匀接收线阵中两个相邻天线的距离；d
t
表示均匀发送天线线阵中两个相邻天线的距离；α
l,k
表示在频点k上两个相邻的接收天线在第l条簇上由于距离引起的波程相位差；β
l,k
表示在频点k上两个相邻的发送天线在第l条簇上由于距离引起的波程相位差；在不同的频点上，将发端天线方向图矩阵的大小扩充为MN
×
MN；对环境簇矩阵由Rx*L维扩充为Rx
×
MN维，L条簇所在的空间区域里，a
i,k
为原簇增益，其它空间区域里，a
i,k
为0，如表达式(2)所示，其中，a
i,k
(i＝1,
…
,MN)表示在划分的MN个空间角度里簇的增益，若某个空间角度里没
有簇的存在，则虚拟出一个增益为0的簇；扩维后同时忽略频率对波数κ
k
的影响，任何频点的波数统一表示为κ，将表达式(1)改写为(3)为(3)β
i
＝κd
t
*cos(AoD
i
)cos(ZoD
i
),
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3c)其中，(AoD
i
，ZoD
i
)和(AoA
i
，ZoA
i
)为划分的M
×
N个区域中第i个区域对应的phi和theta的角度中值；α
i,k
(i＝1,
…
,MN)表示落在第i个区域中的簇在两个相邻接收天线上因为距离产生的波程相位差；β
i
表示落在第i个区域中的簇在两个相邻发送天线上因为距离产生的波程相位差。4.根据权利要求1所述的一种频率选择性信道中最优天线方向图的计算方法，其特征在于，S02中，频率选择性信道下容量表达式如(4)所示，频率选择性信道分为K个频段：在于，S02中，频率选择性信道下容量表达式如(4)所示，频率选择性信道分为K个频段：在于，S02中，频率选择性信道下容量表达式如(4)所示，频率选择性信道分为K个频段：在于，S02中，频率选择性信道下容量表达式如(4)所示，频率选择性信道分为K个频段：其中，C表示信道容量；I
Rx
表示维度为Rx的单位阵；P是发端总功率；σ2为接收端的噪声功率；K表示频点的数量；Rss
k
(k＝1,
…
,K)表示第k个频点上的发端数据流的互相关矩阵；P
tx,k
(tx＝1,
…
,Tx)表示第k个频点上第tx个天线上的功率；将第k个频...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翠翠，王硕，张安学，张明，刘晓波，衣建甲，朱士涛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：