[发明专利]一种基于传播图理论的多波束信道建模方法

权利要求书

1.一种基于传播图理论的多波束信道建模方法，其特征在于，包括：

根据收发天线阵列的参数，获得收发天线阵列的波束指向和收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益；具体包括：

设收发天线阵列各有和道波束，该和道波束的指向方向分别为和获得发射端天线阵列的每个波束的在角度Ω^Tx的增益为接收端天线阵列的每个波束在角度Ω^Rx上的增益为式中，上标Tx,Rx分别表示发射端和接收端，上标dir表示波束指向，t,r分别表示收发端波束的序号，θ和φ表示波束相对于天线阵列的方位角和水平角；

设某道波束由二维均匀平面天线阵列生成，将该道波束在某个角度的增益转换为

G(θ,φ)＝G₀(θ,φ)*F (1)；

式(1)中G₀(θ,φ)表示在该角度上的单天线增益，F表示天线因子，可具体表示为：

式(2)中，j为虚数，θ₀和φ₀表示波束指向对应的方位角和水平角，M,N分别表示沿天线阵列横纵轴方向上的阵元数目，k表示波束，d_x,d_y分别表示横纵轴方向上相邻两个阵元间的距离，I_m,n表示横轴第m个纵轴第n个天线上的权重系数；

所述的获得发射端天线阵列的每个波束的在角度Ω^Tx的增益为包括：

基于多道波束的影响在角度域的线性可加性，结合式(1)和(2)，获得发射端天线阵列在某个角度Ω^Tx＝(θ^Tx,φ^Tx)上的多波束增益

以及接收端天线阵列在某个角度Ω^Rx上的多波束增益

根据收发天线阵列的波束在各个角度的波束增益，修正传播边的传播增益；具体包括：

根据传播图理论，构建点集合V和边集合E；其中点集合分为发射点集合V_T、散射点集合V_S和接收点集合V_R；边集合E分为发射点至接收点的边集合E_D、发射点至散射点的边集合E_T、散射点至散射点的边集合E_S和散射点至接收点的边集合E_R；设任意边e，其对应的频域传输函数为

式中，τ_e表示传播时延，为相位随机变量，其均匀分布在[0,2π)，g_e表示路径传播增益；

对于散射点集合V_S，通过网格状散射点表示散射物体，设两个相邻散射点间的距离为c/B，其中c是光速，B是系统带宽；

设两个散射点间的欧式距离满足

d_th,min≤||r_p-r_q||≤d_th,max (6)；

其中d_th,min和d_th,max表示两个距离阈值，r_p和r_q表示从坐标系原点至散射点p和q对应的矢量；

根据障碍物的移动性，将散射点集合划分为一个静态离散点集合和多个动态离散点集合

对于动态散射点，根据障碍物的凹凸性，确定出电波在其内部发生有限次散射；

根据传播图信道建模理论，边的传输函数如式(5)所示，且每类边的传输增益g_e为

其中f表示频率，对于e∈E_T,E_R，表示发射点到散射点集合的平均传播时延，其中|·|表示集合的势，表示调整因子，g表示散射点增益因子，odi(e)表示与一个散射点到其他散射点的边数；

根据式(7)，将与发射点集合和接收点集合相关的传播边修正为

其中Ω^Tx和Ω^Rx分别表示传播边与发射/接收天线阵列所呈的角度；

根据障碍物尺寸和位置、障碍物与收发天线阵元的位置关系，利用传播图信道建模理论建立多波束信道模型，获得收发天线阵列的传输函数；具体包括：

所述收发天线阵列的传输函数包括发射端至接收端传输函数矩阵D(t,f)、发射端至散射点传输函数Τ(t,f)、散射点之间传输函数B(t,f)和散射点至接收端传输函数R(t,f)；所述发射端至接收端传输函数矩阵D(t,f)、发射端至散射点传输函数Τ(t,f)和散射点至接收端传输函数R(t,f)受到G^Tx(Ω^Tx)和G^Rx(Ω^Rx)的影响；

当波束在静态散射点集合内部发生无穷次散射时，设发射端经散射点至接收端的信道传输函数其计算公式为

式中，矩阵下标表示矩阵的维度；

当波束在M个动态散射点集合内部分别发生有限次的散射时，设发射端经散射点至接收端的信道传输函数矩阵为

式中表示第i个动态离散散射点集合内的散射点数目，N_T和N_R分别表示发射点集合和接收点集合中的元素个数，即发射、接收天线的数目；

系统总的传输函数为发射端至接收端发射端经静态离散散射点集合至接收端以及发射端经多个动态离散散射点集合至接收端三者传输函数之和，获得

将式(11)中的矩阵的每一个元素均表示一条边的传输函数。