超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法技术

本发明专利技术公开了超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法。本发明专利技术通过对角度、相对位置、时延以及多普勒采样，将用户终端与基站间的空时频信道表示为多重波束矩阵与波束域信道的乘积，其中多重波束矩阵与用户所处的相对地理位置及宽带系统的子载波标号相关，波束域信道由波束域信道能量矢量充分表征其统计特征。本发明专利技术提出的统计信道建模方法能够应用于实际超大规模MIMO系统，为超大规模MIMO系统设计提供信道模型支撑，所建立的模型相对传统的统计信道模型能更精准地表征实际的超大规模MIMO信道。MIMO信道。MIMO信道。

【技术实现步骤摘要】
超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法


[0001]本专利技术属于通信
，涉及超大规模MIMO空时频波束基统计信道模型。

技术介绍

[0002]随着新应用的出现，第六代移动通信系统(6G)的频谱效率有望比第五代移动通信系统(5G)提高10倍。超大规模多输入多输出(MIMO)技术是有望实现这一目标的技术之一。相对于大规模MIMO，超大规模MIMO进一步增加在基站侧的天线数，从而可以实现更高的频谱效率、能量效率和空间分辨率。为了实现上述系统性能增益，首先需要建立准确的信道模型。
[0003]对于大规模MIMO系统，波束基统计信道模型(BSCM)首次在文献中用于鲁棒线性预编码器设计。BSCM模型是从联合相关信道模型扩展而来的，其中特征矩阵由过采样离散傅里叶变换(DFT)矩阵代替。由于在配备均匀面阵(UPA)的大规模MIMO中，每列或每行的天线数量通常有限，因此BSCM模型比基于DFT的波束域信道模型更准确。除此之外，还可以建立后验BSCM模型来表征由信道老化和其它因素引起的不精确信道状态信息(CSI)部分，并在鲁棒线性预编码器中带来了明显的性能增益。进一步，通过将该模型扩展到角度时延域，形成二维BSCM模型，并且在大规模MIMO信道估计中，基于该模型的信道估计算法可以获得显著的性能增益。
[0004]随着基站侧天线阵列维度数量级的增加，形成了超大规模MIMO系统，并给信道模型的建立带来一系列的挑战。首先，当天线规模进一步大幅增加时，阵列不同部位有不同的传播环境，比如不同的信道传播路径或者相同的传播路径但功率不同，该现象称为空间非平稳性。空间非平稳性致使超大规模MIMO信道的建模愈加复杂。在当前的蜂窝系统中，大规模MIMO更倾向于采用紧凑的均匀面阵。即使在超大规模MIMO系统中，紧凑的设计也可以有效缓解空间非平稳性的影响。其次，在配备超大规模天线阵列或反射簇与基站近距离的情况下，传统的平面波前模型不再适用，相同径到不同基站天线的相位差不仅和到达角有关，还和距离有关，即此时需要考虑球面波前的影响。除此之外，在较大传输带宽情况下，随着阵列规模的增大，在整个阵列中传播的电磁波的物理传播延迟将变得很大，从而导致相同路径在正交频分复用(OFDM)不同子载波上的到达角不同，该现象称为空间宽带效应。针对大传输带宽下的超大规模MIMO场景，空间宽带效应也是信道建模中不可忽视的因素。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术公开了超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，能够较精确表征超大规模MIMO信道特性。
[0006]技术方案：为了达到上述目的，本专利技术提供超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，通过对角度、相对位置、时延、多普勒采样，将用户终端与基站间的空时频信道表示为多重波束矩阵与波束域信道的乘积；所述多重波束矩阵与用户所处的相对地理位置及宽带系统的子载波标号相关；所述波束域信道由波束域信道能量矢量充分表征其统计特
征，其中波束域信道能量矢量为波束域信道的幅值平方的期望。
[0007]作为优选，所述角度采样的方式为，在
‑
1到1的范围内分别对垂直方向余弦和水平方向余弦均匀采样，采样点数分别大于等于垂直方向天线数和水平方向天线数。
[0008]作为优选，所述相对位置采样的方式为，在0到阵列天线瑞利距离的范围内对反射簇或用户终端与基站天线间的距离的逆均匀采样，采样点数大于等于1。
[0009]作为优选，所述时延采样的方式为，在OFDM循环前缀长度范围内对时延均匀采样，采样点数大于等于循环前缀长度与OFDM符号长度的比值乘以所用传输子载波个数。
[0010]作为优选，所述多普勒采样的方式为，在正负最大多普勒频移范围内对多普勒频移均匀采样，采样点数大于等于两倍最大多普勒频移与子载波间隔的比值乘以所考虑信号周期内OFDM符号数。
[0011]作为优选，所述波束域信道建模为波束域信道幅值矢量与标准复高斯随机矢量的Hadamard积，其中标准复高斯随机矢量为各元素独立同分布于标准复高斯分布的随机矢量，波束域信道幅值矢量各元素为波束域信道能量矢量对应元素的平方根；所述波束域信道能量矢量是稀疏矢量。
[0012]作为优选，当基站配备超大规模MIMO天线以及不满足传输带宽乘以基站天线阵列尺寸远远小于光速时，所述多重波束矩阵表示为时间波束矩阵与空频波束矩阵的直积，其中空频波束矩阵为多载波空间波束矩阵与频率波束矩阵直积维单位阵的乘积，为角度距离域采样点数；所述时间波束矩阵为多普勒采样下的时间舵矢量组成的矩阵；所述频率波束矩阵为时延采样下的频率舵矢量组成的矩阵；所述多载波空间波束矩阵为N
p
个空间波束矩阵组成的块对角矩阵，其中第i个空间波束矩阵为角度和相对位置采样下的第n
i
个子载波上的空间舵矢量组成的矩阵，N
p
为传输子载波个数，n
i
为第i个传输子载波的标号。
[0013]作为优选，当基站配备超大规模MIMO天线以及满足传输带宽乘以基站天线阵列尺寸远远小于光速时，所述多重波束矩阵表示为时间波束矩阵、频率波束矩阵以及空间波束矩阵的直积；所述时间波束矩阵为多普勒采样下的时间舵矢量组成的矩阵；所述频率波束矩阵为时延采样下的频率舵矢量组成的矩阵；所述空间波束矩阵为角度采样以及相对位置采样下的空间舵矢量组成的矩阵。
[0014]作为优选，当基站配备大规模MIMO天线以及不满足传输带宽乘以基站天线阵列尺寸远远小于光速时，所述多重波束矩阵表示为时间波束矩阵与空频波束矩阵的直积，其中空频波束矩阵为多载波空间波束矩阵与频率波束矩阵直积M
r
维单位阵的乘积，多载波空间波束矩阵为多载波垂直空间波束矩阵和多载波水平空间波束矩阵的直积，M
r
为角度域采样点数；所述时间波束矩阵为多普勒采样下的时间舵矢量组成的矩阵；所述频率波束矩阵为时延采样下的频率舵矢量组成的矩阵；所述多载波垂直空间波束矩阵为N
p
个垂直空间波束矩阵组成的块对角矩阵，其中第i个垂直空间波束矩阵为角度采样下的第n
i
个子载波上的垂直空间舵矢量组成的矩阵，N
p
为传输子载波个数，n
i
为第i个传输子载波的标号；所述多载波水平空间波束矩阵为N
p
个水平空间波束矩阵组成的块对角矩阵，其中第i个水平空间波束矩阵为角度采样下的第n
i
个子载波上的水平空间舵矢量组成的矩阵。
[0015]作为优选，当基站配备大规模MIMO天线以及满足传输带宽乘以基站天线阵列尺寸远远小于光速时，所述多重波束矩阵表示为时间波束矩阵、频率波束矩阵、垂直空间波束矩阵和水平空间波束矩阵的直积；所述时间波束矩阵为多普勒采样下的时间舵矢量组成的矩
阵；所述频率波束矩阵为时延采样下的频率舵矢量组成的矩阵；所述垂直空间波束矩阵为角度采样下的垂直空间舵矢量组成的矩阵；所述水平空间波束矩阵为角度采样下的水平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，其特征在于，所述的波束基统计信道建模方法，通过对角度、相对位置、时延、多普勒采样，将用户终端与基站间的空时频信道表示为多重波束矩阵与波束域信道的乘积；所述多重波束矩阵与用户所处的相对地理位置及宽带系统的子载波标号相关；所述波束域信道由波束域信道能量矢量充分表征其统计特征，其中波束域信道能量矢量为波束域信道的幅值平方的期望。2.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，所述角度采样的方式为，在
‑
1到1的范围内分别对垂直方向余弦和水平方向余弦均匀采样，采样点数分别大于等于垂直方向天线数和水平方向天线数。3.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，所述相对位置采样的方式为，在0到阵列天线瑞利距离的范围内对反射簇或用户终端与基站天线间的距离的逆均匀采样，采样点数大于等于1。4.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，所述时延采样的方式为，在OFDM循环前缀长度范围内对时延均匀采样，采样点数大于等于循环前缀长度与OFDM符号长度的比值乘以所用传输子载波个数。5.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，所述多普勒采样的方式为，在正负最大多普勒频移范围内对多普勒频移均匀采样，采样点数大于等于两倍最大多普勒频移与子载波间隔的比值乘以所考虑信号周期内OFDM符号数。6.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，其特征在于，所述波束域信道建模为波束域信道幅值矢量与标准复高斯随机矢量的Hadamard积，其中标准复高斯随机矢量为各元素独立同分布于标准复高斯分布的随机矢量，波束域信道幅值矢量各元素为波束域信道能量矢量对应元素的平方根；所述波束域信道能量矢量是稀疏矢量。7.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空时频波束基统计信道建模方法，其特征在于，当基站配备超大规模MIMO天线以及不满足传输带宽乘以基站天线阵列尺寸远远小于光速时，所述多重波束矩阵表示为时间波束矩阵与空频波束矩阵的直积，其中空频波束矩阵为多载波空间波束矩阵与频率波束矩阵直积M
r
维单位阵的乘积，M
r
为角度距离域采样点数；所述时间波束矩阵为多普勒采样下的时间舵矢量组成的矩阵；所述频率波束矩阵为时延采样下的频率舵矢量组成的矩阵；所述多载波空间波束矩阵为N
p
个空间波束矩阵组成的块对角矩阵，其中第i个空间波束矩阵为角度和相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，陈衍，卢安安，杨济源，邱亮杰，仲文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：