本发明专利技术公开了一种基于非均匀散射体分布的统计信道建模方法及基于信道建模的参数匹配方法，属于无线通信技术领域。本发明专利技术基于改进的信道模型实现，并引入了散射概率和有效散射体两个物理概念，全面而又准确灵活的描述各种具体环境下的传播特性，准确灵活方便地估计宏小区和微小区等移动通信环境，有效的提高电磁信号波达角度、波达时间以及多普勒效应等信道参数估计的准确性。基于建立的信道模型，本发明专利技术还能根据接收端的信道信息，按照信道的状态合理分配天线和功率资源，从而能够在不增加信道带宽的情况下有效地达到信道的最大值，提高信道的资源利用效率。
【技术实现步骤摘要】
基于非均匀散射体分布的信道建模方法及参数匹配方法
本专利技术属于无线通信
，尤其是涉及一种基于非均匀散射体分布环境下的统计信道建模方法。
技术介绍
多输入多输出(MIMO：MultipleInputMultipleOutput)技术可以有效的利用空间和时间的分集作用，实现较为理想的链路性能。从物理本质上说，利用不同通道之间的空间非相关性来复用相同的无线资源将大大提高系统的吞吐量，信道容量也随着天线数量的增大而线性增大。也就是说在不增加带宽和天线发送功率的情况下利用MIMO信道能够成倍的提高无线信道容量。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。同传统的单天线系统和仅在接收端采用多天线的系统相比，MIMO信道既提供了功率增益，又可以提高自由度增益。移动通信都是通信产业中发展最快的一部分，移动通信的本质是利用无线信道进行信息的有效传输。移动通信系统性能主要受到无线信道特性的制约。基站(basestation,简称BS)和移动台(mobilestation，简称MS)之间的传播路径一般分布有复杂的地形，其信道往往是非固定和不可预见的。多径效应是移动通信信道中的小尺度衰落，是无线信道研究的主要内容之一，因此建立一个准确而有效的信道模型是构建移动通信系统的重要步骤。Ertel.R和Petrus.B提出了散射体空间分布圆模型(GBSBM:geometricallybasedsinglebouncemodel)和椭圆模型(EBSBM:Ellipsebasedsinglebouncemodel)。仿真结果表明GBSBM模型能估计宏小区(Macrocell)移动通信环境下重要的参数，EBSBM模型能估计微小区(Microcell)移动通信环境下重要的信道参数。由于GBSBM和EBSBM模型的估计结果不够准确，JiangL等给出基于瑞利和指数(Exponential)分布的圆模型，其他研究人员提出了散射体高斯(Gaussian)分布的圆模型及空心圆环模型(HSDM:hollow-discscatterdensitymodel)。现有研究成果表明已有的散射体分布模型适合于室外Macrocell或Microcell或者室内微微(Picrocell)小区移动环境，而且没有一种模型能全面而且准确灵活地描述各种具体环境下的传播特性，这些模型不足之处在于其散射体密度非均匀分布的假设来源于对实测数据的统计，而缺乏对该信道假设合理的物理解释。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种合理的综合改进空间统计信道建模方法，准确灵活方便地估计宏小区和微小区等移动通信环境，有效的提高电磁信号波达角度(AOA:angleofarrival)、波达时间(TOA:timeofarrival)以及多普勒效应(DS:Dopplerspectrum)等信道参数估计的准确性。由于在室内室外环境中，复杂的环境会影响信道参数的变化，而且在室内室外场景下信号传播会有或多或少的阻挡，加重了多径衰落效应，从而使系统受到了极大的不确定性，影响我们对于信道的研究和分析。因此，我们不能简单地采取高斯分布以及指数分布分别去描述室外和室内移动通信环境。近年来，为了满足无线通信领域中增大信道容量的需要，大量关于多天线MIMO系统的研究也得到了提出，对于信道容量的研究，我们必须要以对其散射体分布情况的研究为前提。而在复杂通信环境中，很难判定是用散射体高斯分布还是指数分布去描述，此时，为了确保信道参数研究的准确性，本专利技术中引入了散射概率(RP:refractionspectrum)和有效散射体(ES:effectivescatter)两个物理概念，全面而又准确灵活的描述各种具体环境下的传播特性。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于非均匀散射体分布的统计信道建模方法，基于改进的信道模型实现，所述改进的信道模型包括基站和移动台，所有散射体分布在以移动台为圆心的圆形散射区域内，基站和移动台均落在散射体分布的区域内，且所有散射体与移动台和基站在同一平面上，其中有效散射体为入射不被阻挡的散射体，且一个有效散射体只产生一条反射路径；建模方法具体包括如下步骤：步骤一：令移动台为坐标原点建立直角坐标系，BS和MS到散射体的距离分别为rb和rm，BS与散射体的连线和x轴的夹角为θb，MS与散射体的连线和x轴的夹角为θs；步骤二：定义距离移动台rs处的散射体成为有效散射体的概率为：其中，L＝λ0τ0，计算圆内总的有效散射体数为步骤三：对累积概率密度分布的自变量rs求一阶导数得到等效散射体分布密度函数：步骤四：对移动台散射体的分布函数通过雅可比转换式可得到波达信号AOA/TOA联合概率密度函数：步骤五：对AOA/TOA联合概率密度函数中的τ积分得到基站端的波达信号AOA边缘概率密度函数：其中，步骤六：首先计算扇形散射区域的加权总面积为将有效散射区域ΔBEM加权面积除扇形散射区域的加权总面积，再对自变量φ求一阶导数，得到MS的波达信号AOA概率密函数；步骤七：计算有效散射区域的加权面积与整体散射体区域的概率比F1(τ)，对其自变量τ求一阶导数得到移动台的波达信号TOA概率密度函数；步骤八：计算多普勒频移的概率密度函数：步骤九：MIMO阵列天线的空间衰落相关函数定义为：步骤十：通过下式计算信道容量：其中，INr为Nr维单位矩阵和P/σ2,为信道信噪比SNR。作为本专利技术的一种改进，对于空间相关的MIMO信道，信道矩阵H表示为：其中，Rr为接收端的阵元间相关矩阵，Rt为发射端阵元间相关矩阵，上标τ表示矩阵的转置和上标H表示矩阵的共轭转置。所述的步骤六中有效散射区域ΔBEM加权面积和移动台的波达信号AOA概率密函数具体通过如下步骤计算：步骤六-1，当0≤φ≤γ时，有效散射区域ΔBEM加权面积为此时，移动台的波达信号AOA概率密函数为步骤六-2，当γ≤φ≤π时，有效散射区域ΔBEM加权面积为此时，移动台的波达信号AOA概率密函数为所述步骤七中，计算移动台的波达信号TOA概率密度函数具体包括如下步骤：步骤七-1，当D/c≤τ≤(d+R)/c时，有效散射区域的加权面积与整体散射体区域的概率比为其中，F1(τ)对自变量τ求一阶导数得到移动台的波达信号TOA概率密度函数：步骤七-2，当(d+R)/c≤τ≤(D+2R)/c时，有效散射区域的加权面积与整体散射体区域的概率比为F1(τ)对自变量τ求一阶导数得到移动台的波达信号的TOA概率密度函数：步骤七-3，当τ＞(D+2R)/c时，MS的波达信号的TOA概率密度函数为：f3(T)＝0。在上述统计信道建模方法基础上，本专利技术还进一步公开了一种信道模型的参数匹配方法，具体包括如下步骤：步骤(1)：建立改进的信道模型，设置不同的空间信道参数，数值仿真信道容量，进行仿真实验，选取得到最大信道容量范围时的散射体分布参数L和σG、以及相应的空间信道参数建立数据库；步骤(2)：测出信道的基本参数，所述信道符合改进的信道模型，根据参数、通过基于非均匀散射体分布的统计信道建模方法计算MS的波达信号AOA概率密函数，利用matlab数据拟合，寻找出最优的散射体分布参数L和σG；步骤(3)：将步骤(2)中matlab数据拟本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀散射体分布的统计信道建模方法，基于改进的信道模型实现，其特征在于：所述改进的信道模型包括基站和移动台，所有散射体分布在以移动台为圆心的圆形散射区域内，基站和移动台均落在散射体分布的区域内，且所有散射体与移动台和基站在同一平面上，其中有效散射体为入射不被阻挡的散射体，且一个有效散射体只产生一条反射路径；建模方法具体包括如下步骤：步骤一：令移动台为坐标原点建立直角坐标系，基站和移动台到散射体的距离分别为rb和rm，基站与散射体的连线和x轴的夹角为θb，移动台与散射体的连线和x轴的夹角为θs；步骤二：定义距离移动台rs处的散射体成为有效散射体的概率为：其中，L＝λ0τ0，计算圆内总的有效散射体数为φ为MS的到达角度；步骤三：对累积概率密度分布的自变量rs求一阶导数得到等效散射体分布密度函数：R为圆形散射区域半径，r为接收端MS到散射体的距离，бG为散射体高斯分布的参数因子，NG为函数的归一化因子；步骤四：对移动台散射体的分布函数通过雅可比转换式得到波达信号AOA/TOA联合概率密度函数：D为发射端BS与接收端MS之间的距离，τ为传输路径的时延；步骤五：对AOA/TOA联合概率密度函数中的τ积分得到基站端的波达信号AOA边缘概率密度函数：其中，步骤六：首先计算扇形散射区域的加权总面积为γ表示结合角度，ρ表示MS到散射边界的距离；将有效散射区域ΔBEM加权面积除扇形散射区域的加权总面积，再对自变量φ求一阶导数，得到MS的波达信号AOA概率密函数；步骤七：计算有效散射区域的加权面积与整体散射体区域的概率比F1(τ)，对其自变量τ求一阶导数得到移动台的波达信号TOA概率密度函数；步骤八：计算多普勒频移的概率密度函数：φv为接收端MS的移动方向，f为多普勒频率，fm为最大的多普勒频偏；步骤九：MIMO阵列天线的空间衰落相关函数定义为：m为发射端的第m个天线阵元，n为接收端的第n个天线阵元，am(*)：发射端第m个天线阵元的导向矢量，an(*)为接收端第n个天线阵元的导向矢量，是入射信号在竖直平面上的夹角；步骤十：通过下式计算信道容量：其中，INr为Nr维单位矩阵和P/σ2为信道信噪比SNR。2.根据权利要求1所述的基于非均匀散射体分布的统计信道建模方法，其特征在于：对于空间相关的MIMO信道，信道矩阵H表示为：其中，Rr为接收端的...
【专利技术属性】
技术研发人员：周杰，江浩，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：
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