[发明专利]基于三维空间域多天线MIMO统计信道的建模方法

摘要

本发明公开了一种针对室内的3D(Three Dimensional)空间统计信道建模方法，能够应用在分布式多输入多输出系统中，在基站BS设计有指向性天线时，以MS端的波达信号研究为基础，推导出重要空时信道参数，如多普勒功率谱(DS)，空时相关性以及信道容量等等，利用信道空时特性参数解析了空间模型参数，以及指向性天线主瓣夹角之间的机理关系,并同时研究了在3D空间统计信道模型下的MIMO多天线线性阵列和圆形阵列系统传输性能，为MIMO多天线空时处理算法和仿真无线通信系统提供精确和灵活多变的信道模型，拓展了空间统计信道模型的研究。

主权项

一种基于三维空间域多天线MIMO统计信道的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，以基站BS为原点建立三维坐标系，其中基于BS端的定向天线的主瓣角度为2α，BS在水平面上的夹角为φb，竖直平面上的夹角为βb；MS在水平面以及竖直平面上的夹角分别为φm和βm，散射区域内的散射体到BS以及MS的距离分别为rb和rm，BS和MS之间的距离为D，3D信道模型的长轴和短轴长度分别为a和b，D＜a、b≤a，所有散射体均匀分布在散射区域内，散射区域的体积为V＝2a2bα/3；步骤二，将散射区域划分为P1和P2两部分，其中，P2是指电磁信号经灰色垂直散射边界上的散射体反射到MS上的传播路径区域，而P1则是散射区域IRegion剩下的部分；散射区域P1和P2表示为P1→0≤βM≤βtorφt1≤|φm|≤φt2P2→βt≤βM≤π/2orφt2≤|φm|≤2π-φt2]]>其中，βt为平面PMQ的竖直角度，其中，角度φ1和φ2为βm＝0时，MS端在xoy水平面上的夹角，即φt1为竖直方向上的切平面PMQ在水平角度上的起始角度，φt1＝0，0≤βM≤π/2，φt2为竖直方向上的切平面PMQ在水平角度上的终止角度，其中，P和Q是竖直平面上的切平面与散射边界的交点，PMQ平面和xoy平面的二面角为βM，而步骤三：将散射体的分布函数f(xm，ym，zm)＝1/V通过雅可比转换式得到：其中，rm为MS到散射边界的距离，通过下式计算：将rm代入本步骤中雅可比转换式，得到MS的AOA联合概率密度函数：步骤四：将步骤三中雅可比转换式再次通过雅可比转换式得到：p(τ,φm,βm)=p(rm,φm,βm)|J(rm,φm,βm)||P1,P2=c(c2τ2-D2)2(D2+c2τ2-2cτDcosβmcosφm)cosβm8V(Dcosβmcosφm-cτ)4]]>其中，τ为到达时延，最小值τmin＝D/c，最大时延为将上式对βm进行积分，得到移动台MS的时延特性TOA与水平面夹角的联合概率密度函数为：p(τ,φm)=∫0π/2p(τ,φm,βm)dβm=k148Vk52(k42-k52)7/2×{k42-k52(k3k5(2k43+13k4k52)+k2(k44-10k42k52-6k54))-6k52(k3k5(4k42+k52)-k2(k43+4k4k52))atanh(k4+k5k42+k52)}]]>对φm进行积分，得到MS的时延特性TOA与竖直平面夹角的联合概率密度函数为：p(τ,βm)∫02πp(τ,φb,βm)dφm=k6(k7k83-3k2k82k5+4k7k8k52-2k2k53)8V(k8-k5)3(k8+k5)4×1+2k8-k8+k5π]]>其中，步骤五：由经典Clarke模型，多普勒频移的概率密度函数如下：其中，fm是移动台MS的最大多普勒频移，φv是MS的移动方向，v是移动速度；步骤六：通过下式计算阵元m和n之间的空间衰落相关函数：E为数学期望，h为冲激响应，为天线的导向矢量，θ为信号在竖直平面上的夹角，为信号在水平面上的夹角；步骤七：通过下式计算信道容量：式中C单位为bits/s/Hz,INr为Nr维单位矩阵，P/σ2为信道信噪比SNR，Nt为发射端天线数量和Nr为接收端天线数量。