【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种针对毫米波视距多入多出通信系统(los mimo)信号空间自由度的分析方法，属于无线通信。
技术介绍
1、由于全球频谱资源的短缺，人们开始对高频段进行研究和开发。其中，毫米波频段有很大的频谱资源尚未充分利用，需要研究可提供千兆位带宽，具有高复用能力和极高传输能力的毫米波视距多输入多输出系统(los mimo)。因毫米波信号波长急剧缩小，天线阵列上不同位置的波曲率无法被忽视。这使得los mimo的空间复用可以在视距路径内实现。这种视距环境下的空间复用被称为“内路径复用”。现存的针对los mimo的研究主要是满足los mimo信道正交条件的天线设计准则。在此准则下，los mimo系统的传输距离和天线间隔尺寸成正比。然而，实际的los mimo系统的一些复用路径并不能完全支撑通信传输需求。具体来讲，一些子信道虽然与其他信道正交可区分，但因其信道恶化严重，使得传输信号能量较小，不足以保障数据的传输。因此，亟需一种可量化的方法来分析毫米波los mimo系统的复用能力。
技术实现思路
1、针对los mimo系统中自由度无法有效分析和估计的问题，本专利技术的目的是提供一种毫米波los mimo三维信道自由度分析方法，基于los信道增益矩阵的特征值分解，得出信道的有效自由度；同时，通过分析方法选择最优的天线夹角，使los mimo的自由度最大化，进而提高los mimo系统的多路复用能力。
2、本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
3、本
4、步骤1：构建los mimo系统模型，给定系统阵列天线的坐标，并计算发射天线和接收天线的距离。
5、给定发射端天线总个数nt，接收端天线总个数mr，发射端天线阵列间隔dt，接收端端天线阵列间隔dr，发射端天线阵列的垂直方向夹角以及水平方向夹角θt和发射端天线阵列的垂直方向夹角以及水平方向夹角θr和
6、o为发射天线阵列tx的一端，o'为接收天线阵列rx的一端，以oo'所在直线为y轴建立两个坐标系，xoyz和x'o'yz'。以o为原点的，则第n个发射天线的坐标为：
7、
8、第m个接收天线的坐标为：
9、
10、其中，第n个发射天线和第m个接收天线间的直线距离dmn表示为：
11、
12、步骤2：建立步骤1中的los mimo系统的信道模型。
13、因r>>dt,dr，式(25)中的等式a是根据麦克劳林展开式求得近似值。当不同天线链路的路径损耗增益大致相同时，信道模型矩阵h近似为：
14、h＝{hm,n} (4)
15、其中，
16、步骤3：将天线特征关键参数发射端接收端天线间隔dt和dr、发端天线天顶角θt方位角接收端天顶角θr方位角通信距离r、信号波长λ，打包成一个联合参数，构建瑞利转化参数φ式。根据瑞利转化参数φ构建los mimo信道的正交性条件。
17、步骤3.1：将天线特征关键参数发射端接收端天线间隔dt和dr、发端天线天顶角θt方位角接收端天顶角θr方位角通信距离r、信号波长λ，打包成一个联合参数，构建瑞利转化参数φ如式。
18、通信内通道由矩阵的两个列向量表征，则信道的正交性被映射为矩阵列向量的内积。h中两个列向量的内积表示为：
19、
20、由式(3)得：
21、
22、在式(5)中使用(6)，子信道间的正交关系表示为:
23、
24、其中，η＝l-k。
25、关键参数发射端接收端天线间隔dt和dr、发端天线天顶角θt方位角接收端天顶角θr方位角通信距离r、信号波长λ，打包成一个联合参数，构建瑞利转化参数φ如式(8)所示：
26、
27、los mimo信道的正交性条件为：
28、
29、步骤3.2：根据步骤3.1给定的瑞利转化参数φ计算los mimo信道的正交性条件(9)；
30、令＜hk,hl＞＝0，得：
31、
32、表示整数集合。当上式成立，则los mimo信道各个内通道正交。
33、基于天线阵列尺寸dt，dr和通信距离r的关系设计天线阵列，使互信息最大化，即得到满秩天线阵列尺寸和：
34、
35、令通信传播距离逼近瑞利距离rray＝max(nt,mr)dtdr/λ。考虑夹角影响则有:
36、步骤4：构建los mimo系统信道增益矩阵，将los mimo系统的信道矩阵的自由度求解问题转换为los mimo的信道增益矩阵的秩数求解问题，通过特征值分解计算增益矩阵g的秩数，并计算los mimo系统的有效自由度。
37、步骤4.1：构建los mimo系统信道增益矩阵g，将los mimo系统的信道矩阵的自由度求解问题转换为los mimo的信道增益矩阵的秩数求解问题；
38、h＝uσvh (12)
39、其中，对角阵σ的对角线元素是特征值按降序排列，(·)h表示对于矩阵进行共轭转置。
40、定义增益矩阵g＝hhh，该矩阵的第l行第k列元素为：
41、
42、由svd的定义可以看出：g＝uσ2uh
43、其中，u是酉矩阵，则矩阵g的秩等于矩阵σ2的秩，又因为对角矩阵的平方并不改变对角矩阵的秩数，则有：
44、rank(g)＝rank(σ2)＝rank(σ)＝rank(h) (14)
45、步骤4.2：根据步骤4.1，通过特征值分解计算增益矩阵g的秩数，并构建los mimo系统的有效自由度公式；
46、对于大型天线mimo，当mr,nt→∞时，公式(25)变换为：
47、
48、根据式(25)，矩阵u变换为：
49、u＝dt (16)
50、其中，对角阵矩阵t的第m行和第n列元素为t是傅里叶变化阵。因为d和t都是酉矩阵，所以u也是酉矩阵。
51、信道增益矩阵通过近似svd分解：
52、
53、根据式(17)，构建基于非平行ula天线的los mimo通信有效自由度公式：
54、
55、步骤5：通过步骤4所得的los mimo系统有效自由度公式，构建使los mimo系统有效自由度最大的角度设计准则，并根据角度设计准则计算最优化天线角度。
56、基于(25)，角度对有效自由度的影响表示为：
57、
58、带入得到：
59、
60、因此，使los mimo系统有效自由度最大化的角度设计准则为：
61、
62、根据式(20)计算确定最优化本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.毫米波LOS MIMO三维信道自由度分析方法，其特征在于：包括如下步骤，
2.如权利要求1所述的毫米波LOS MIMO三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤1实现方法为，
3.如权利要求2所述的毫米波LOS MIMO三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤2实现方法为，
4.如权利要求3所述的毫米波LOS MIMO三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤3实现方法为，
5.如权利要求4所述的毫米波LOS MIMO三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤4实现方法为，
6.如权利要求5所述的毫米波LOS MIMO三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤5实现方法为，
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的毫米波LOS MIMO三维信道自由度分析方法，其特征在于：还包括步骤6：根据步骤5得到的最优化天线角度，使LOS MIMO系统的自由度最大化，进而提高LOS MIMO系统的多路复用能力。
【技术特征摘要】
1.毫米波los mimo三维信道自由度分析方法，其特征在于：包括如下步骤，
2.如权利要求1所述的毫米波los mimo三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤1实现方法为，
3.如权利要求2所述的毫米波los mimo三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤2实现方法为，
4.如权利要求3所述的毫米波los mimo三维信道自由度分析方法，其特征在于：步骤3实现方法为，
5.如权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：远航，宋睿昊，高晓铮，杨凯，杨杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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