[发明专利]一种3D‑MIMO天线极化增益的联合存储方法

权利要求书

1.一种3D-MIMO天线极化增益的联合存储方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对所有天线组进行分类，具体为：按照天线竖直角度分为第一类天线和第二类天线，其中，第一类天线为竖直倾斜角为γ的天线，第二类天线为竖直倾斜角为-γ的天线；

S2、分别计算两类天线在立体空间中的三维极化增益，所述极化增益包括垂直极化增益和水平极化增益，具体为：

第一类天线的垂直极化增益为

第一类天线的水平极化增益为

第二类天线的垂直极化增益为

${F_2}^{\left(v\right)}(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})=\left|\left(\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\sin \right(-\mathrm{\γ})-\sin \mathrm{\θ}\cos (-\mathrm{\γ}\left)\right)\frac{\cos (\mathrm{\π}\mathrm{\ξ}/2)}{1-{\mathrm{\ξ}}^2}\right|,$

第二类天线的水平极化增益为

可以看出第一类天线和第二类天线只是进行的倾斜角的变化，为了描述方便，将第一类天线和第二类天线的垂直极化增益表示为将第一类天线和第二类天线的水平极化增益表示为其中，ξ＝sinθcosφsinγ+cosθcosγ，φ为电磁波波束的方位角，θ为电磁波波束的仰角，方位角φ为电磁波波束在XY平面内的投影和X轴的逆时针夹角，φ取值范围为-180°≤φ≤180°，仰角θ为电磁波波束与Z轴的顺时针夹角，θ取值范围为0°≤θ≤180°；

S3、由S2可得出F^(v)(φ,θ)和F^(h)(φ,θ)都是关于φ的偶函数，因此，在储存天线的三维极化增益时，只需存储0°≤φ≤180°即可，对于-180°≤φ≤0°的情况时，可利用偶函数的性质变换得到，具体为F^(v)(φ,θ)＝F^(v)(|φ|,θ)，F^(h)(φ,θ)＝F^(h)(|φ|,θ)，其中，| |表示取绝对值；

S4、等间距计算第一类天线和第二类天线的极化增益:设N为角度采样数，则φ和θ分别在0°≤φ≤180°和0°≤θ≤180°间等间距取N个值，代入S2所述F^(v)(φ,θ)和F^(h)(φ,θ)，得到N×N的矩阵F^(v)，N×N的矩阵F^(h)，其中，N＝180a,a∈[1,20]且a是自然数，F^(v)代表的是天线的垂直极化增益，F^(h)代表的是天线的水平极化增益；

S5、根据S4所述F^(v)和F^(h)构造一个维度为2×N×N的三维数组其中，符号[]表示矩阵的展开形式，用FP_γ表示竖直倾斜角为γ的天线对应的极化增益，用FP_-γ表示竖直倾斜角为-γ的天线对应的极化增益；

S6、根据已经确定的天线和用户的布局和已经确定的天线的配置，对整个天线阵列相对于正南方的旋转角度和每个天线单元组相对于所述天线单元组所在的天线阵列的旋转角度进行定义，具体如下：

S61、在GCS中确定电磁波波束的方位角φ和仰角θ，其中，-180°≤φ≤180°，0°≤θ≤180°，GCS代表的物理意义为确定一个全局统一的参考系，用于确定电磁波波束的方位角和仰角，以便于通信系统间的一致性；

S62、建立阵列坐标系(Array Coordinate System，ACS)，以目标天线阵列中心点为原点，垂直于目标天线阵列的辐射面为X′轴，在X′轴与竖直方向确定的平面内找到与X′轴垂直的方向向上的Z′轴，根据右手坐标系的规则，确定Y′轴，ACS用于区分不同天线阵列辐射方向覆盖范围的不同性，ACS可以通过GCS中的X、Y、Z轴旋转得到，所述旋转角度记作Rot_array；

S63、建立阵子元素坐标系(Element Coordinate System，ECS)，以目标天线单元组中心点为原点，垂直于所述天线单元组的辐射面为X″轴，在X″轴与竖直方向确定的平面内找到与X″轴垂直的，方向向上的Z″轴，根据右手坐标系的规则，确定Y″轴，ECS用于区分不同天线单元组相对于所处的天线阵列中的拜访位置和排列方式的不同，ECS可以通过ACS中的X′、Y′、Z′轴旋转得到，所述旋转角度记作Rot_element；

S64、用φ_GCS表示电磁波波束在GCS中的方位角，用θ_GCS表示电磁波波束在GCS中的仰角，用φ_ECS表示电磁波波束在ECS中的方位角，用θ_ECS表示电磁波波束在ECS中的仰角；

S7、在3D-MIMO系统中进行电磁波波束的垂直极化增益和水平极化增益计算：

S71、当一束电磁波波束在GCS中以方位角为φ_GCS，仰角为θ_GCS对一根天线进行辐射时，计算模块首先在与天线相连的动态存储器中读取Rot值，然后将GCS中的方位角φ_GCS和仰角θ_GCS旋转到ECS中的方位角φ_ECS和仰角θ_ECS，所述动态存储器连接天线和计算模块，并与天线下倾角调整模块相连，所述动态存储器用来存储变量Rot，其中，Rot包括S6所述Rot_array和Rot_element；

S72、计算模块将S71所述天线的竖直倾斜角和S71所述电磁波波束方位角为φ_GCS，仰角为θ_GCS传输给判决器，所述判决器根据接收到的天线的竖直倾斜角进行判定，若竖直倾斜角为γ则对应静态存储器FP_γ，若竖直倾斜角为-γ则对应静态存储器FP_-γ，所述静态存储器FP_γ用来存储S5所述的竖直倾斜角为γ的天线对应的极化增益，所述静态存储器FP_-γ用来存储S5所述的竖直倾斜角为-γ的天线对应的极化增益，其中，静态存储器FP_γ和静态存储器FP_-γ统一称作静态存储器，判决器位于计算模块的输出端之后和两个静态存储器的输入端之前；

S73、判决器根据接收的φ_ECS进行判决，若φ_ECS∈[0°,180°]，则保持φ_ECS不变，若则更新φ_ECS＝φ_ECS|mod180°，其中，符号| |表示取绝对值，mod表示取余数；

S74、根据S73所得φ_ECS和S72所述θ_GCS，选出S4中等间距产生的N个方位角角度中与φ_ECS最接近的两个方位角φ₁和φ₂，选出S4中等间距产生的N个仰角角度中与θ_GCS最接近的两个仰角θ₁和θ₂；

S75、将S74所述φ₁、φ₂、θ₁和θ₂进行两两配对确定4个点，即φ₁、θ₁，φ₁、θ₂，φ₂、θ₁和φ₂、θ₂，在对应的静态存储器中读出这4个点对应的垂直极化增益和水平极化增益，连同这4个点的方位角和仰角，一并传输到计算模块；

S76、计算模块对S75所述4个点对应的垂直极化增益和水平极化增益，4个点的方位角和仰角进行二维插值，计算出所述电磁波波束的垂直极化增益和水平极化增益；

S8、计算出对天线进行辐射的第n条电磁波传播径的垂直极化增益和水平极化增益，这里采用的是WINNERⅡ的系统模型，每个天线和它服务的用户之间有N条传播径，每条径由M条电磁波射线组成，正整数N的取值和选择的场景有关，通过累加求和，得出信道估计矩阵H，

其中，u表示用户接收端天线数目，s表示基站发射端天线数目，n表示电磁波波束数目，P_n表示第n条电磁波波束的功率，m是第n条传播径的第m条射线编号，rx表示用户的接收天线端，tx表示基站的发射天线端，F_rx,u,V(φ_n,m,θ_n,m)和F_rx,u,H(φ_n,m,θ_n,m)是根据第n条多径的第m条子径在第u根接收端天线的方位角φ_n,m和仰角θ_n,m计算出来的天线垂直极化增益和水平极化增益，同样地，和是根据第n条多径的第m条子径在第s根发射端天线的方位角和仰角计算出来的天线垂直极化增益和水平极化增益，κ_n,m为第n个波束的第m个子径的交叉极化率，exp代表自然底数的指数，j代表单位纯虚数，j²＝1，表示电磁波波束在发射端发射时的垂直极化分量到接收端接收时的垂直极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的垂直极化分量到接收端接收时的水平极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的水平极化分量到接收端接收时的水平极化分量的相位延迟，表示电磁波波束在发射端发射时的水平极化分量到接收端接收时的垂直极化分量的相位延迟，是第s根发送天线的位置矢量，是第n条多径的第m个子径的归一化离开角度矢量，是第u根接收天线的位置矢量，是第n条多径的第m个子径的归一化到达角度矢量，表示载波波长的倒数，v_n,m为多普勒频移因子，与用户的速度有关，t表示时间采样，1≤n≤N，M＝20，1≤m≤M，6≤N≤20,且N为整数；

S9、信道估计模块根据S8所述信道估计矩阵H得出H的统计特性，将所述H的统计特性传输给后续的信道检测、波束赋形运用，用于对信号的发射和接收，将所述H的统计特性传输给天线下倾角调整模块，用于对天线自动对准技术对天线的位置和排列进行调整。