[发明专利]一种高空平台MIMO通信系统三维信道建模方法

摘要

一种高空平台MIMO通信系统三维信道建模方法，本发明涉及高空平台MIMO通信系统三维信道建模方法。本发明的目的是为了解决二维MIMO信道模型不能准确的描述高空平台MIMO通信系统信道以及无线信道之间的空间相关性高，导致信道容量低的问题。通过以下技术方案实现的：步骤一、制备链路p‑l和链路q‑m的输入时延扩展函数；步骤二、对步骤一中制备的输入时延扩展函数进行傅里叶变换，得到链路p‑l的时变传输函数和链路q‑m的时变传输函数；步骤三、在步骤二中得到的链路p‑l的时变传输函数和链路q‑m的时变传输函数的基础上，求出链路p‑l的时变传输函数和链路q‑m的时变传输数之间的空时频相关函数；步骤四、计算信道容量。本发明应用于通信领域。

主权项

1.一种高空平台MIMO通信系统三维信道建模方法，其特征在于，一种高空平台MIMO通信系统三维信道建模方法具体是按以下步骤进行的：步骤一、制备链路p‑l和链路q‑m的输入时延扩展函数；步骤二、对步骤一中制备的链路p‑l的输入时延扩展函数和链路q‑m的输入时延扩展函数进行傅里叶变换，得到链路p‑l的时变传输函数Tpl(t,f)和链路q‑m的时变传输函数Tqm(t,f)；步骤三、在步骤二中得到的链路p‑l的时变传输函数Tpl(t,f)和链路q‑m的时变传输函数Tqm(t,f)的基础上，求出链路p‑l的时变传输函数Tpl(t,f)和链路q‑m的时变传输函数Tqm(t,f)之间的空时频相关函数；步骤四、在步骤三中得到的空时频相关函数的基础上，计算信道容量；所述步骤一中制备链路p‑l和链路q‑m的输入时延扩展函数；具体过程为：设在高空平台站有nT根输入天线，在移动地面站有nR根接收天线，1≤p≤q≤nT，1≤l≤m≤nR，p为高空平台站的第p根输入天线，q为高空平台站的第q根输入天线，l为移动地面站的第l根接收天线，m为移动地面站的第m根接收天线；将高空平台站的第p根输入天线到移动地面站的第l根接收天线之间的链路用p‑l表示；链路p‑l的输入时延扩展函数为LOS和NLOS分量的叠加，表达式如下：hpl(t,τ)＝hpl,LOS(t,τ)+hpl,NLOS(t,τ)   (1)其中，式中，g⁽ⁿ⁾为由第n个散射体引入的幅值的变量，设g⁽ⁿ⁾为独立同分布随机变量，且E[·]表示期望，为由第n个散射体引入的相位的变量，设为在区间[‑π,π)上分布的随机变量且与g⁽ⁿ⁾、和独立，为第n个散射体直射量的到达角，为第n个散射体直射量的离开角，为第n个散射体在x‑y平面的投影到O′的距离，d(a,b)表示a、b两点间的距离，其中第n个散射体用S⁽ⁿ⁾表示，它在x‑y平面上的投影点是O′为移动地面站在x‑y平面上的投影点，R_S,min为散射体在x‑y平面的投影到O′的最小距离，R_S,max为散射体在x‑y平面的投影到O′的最大距离，为第n个散射体的高度，H_S,min为散射体最小高度，H_S,max为散射体最大高度，为第n个散射体相对O_R的仰角是O_R为移动地面站天线阵元素m和l的中点，确定的最小值为β_S,min≈arctan(H_S,min/R_S,max)，和最大值为β_S,max≈arctan(H_S,max/R_S,min)；K_pl为p‑l子信道的莱斯因子LOS与NLOS接收功率的比值，Ω_pl为p‑l子信道的发送功率，e为自然对数的底数，j为虚数单位，h_pl,LOS(t,τ)为p‑l子信道的输入时延扩展函数LOS分量；h_pl,NLOS(t,τ)为p‑l子信道的输入时延扩展函数NLOS分量；N为移动地面站周围的固定散射体的数量且N→∞；为NLOS子信道相位信息的复指数；τ_LOS为波束在LOS链路上的传输时延；为波束在NLOS链路上的传输时延；τ为时延变量，δ为狄拉克δ函数；ζ_LOS(t)为LOS链路相位信息的复指数，p为正整数，l为正整数；其中，式中，fT,max＝vT/λ和fR,max＝vR/λ分别为高空平台站和移动地面站的最大多普勒频移；式中，t为时间变量，d(p,l)为天线p与天线l间距离，d(p,S⁽ⁿ⁾)为天线p与第n个散射体间距离，d(S⁽ⁿ⁾,l)为第n个散射体与天线l间距离；D为O和O′间的距离，O为和的中点，为高空平台站天线p在x‑y平面上的投影点，为高空平台站天线阵元素q在x‑y平面上的投影点，β_T为高空平台站相对O_R的仰角，β_T≈arctan(H_T/D)，H_T为高空平台站天线阵的高度，d(O,O_T)＝H_T，O_T为高空平台站天线p和q的中点,f_T,max为高空平台站的最大多普勒频移，为p‑l子信道的直射路径到达方位角，γ_T为高空平台站运动方向，f_R,max为移动地面站的最大多普勒频移，γ_R为移动地面站运动方向，δ_T为高空平台站上相邻两天线之间的距离，θ_T为高空平台站天线阵列在x‑y平面内相对于x轴的方向的方位角，n_T为高空平台站的天线数目，n_R为高空平台站的天线数目，δ_R为移动地面站上相邻两天线之间的距离，θ_R为移动地面站天线阵列在x‑y平面内相对于x轴的方向的方位角，ψ_R为移动地面站中的天线相对于x‑y平面的仰角，v_T为高空平台站的运动速度，λ为波长，v_R为移动地面站的运动速度；若HT＞＞HR，传输时延从高空平台站向移动地面站，即最小传输时延为：τLOS＝τmin≈D/(c0cosβT) (7)式中，c₀是光速；H_R为移动地面站天线阵的高度，d(O,O_R)＝H_R，则散射体在双同心圆柱中所占体积的高为H_C＝H_S,max‑H_S,min；假设若H_S,max＜＜H_T，且波束从高空平台站发出，经S⁽ⁿ⁾反射，由移动地面站接收过程的传输时间为：式中，为波束在NLOS链路上的传输时延；将高空平台站的第q根输入天线到移动地面站的第m根接收天线之间的链路用q‑m表示；链路q‑m的输入时延扩展函数为LOS和NLOS分量的叠加，表达式如下：hqm(t,τ)＝hqm,LOS(t,τ)+hqm,NLOS(t,τ) (11)其中，式中，Ωqm为q‑m子信道的发送功率，hqm,LOS(t,τ)为q‑m子信道的输入时延扩展函数LOS分量；hqm,NLOS(t,τ)为q‑m子信道的输入时延扩展函数NLOS分量；q为正整数，m为正整数。