[发明专利]一种基于角度域虚拟波束的大规模MIMO信道建模方法

说明书

本发明提供一种基于角度域虚拟波束的大规模多输入多输出信道建模方法，其实现步骤为：1)获取典型频段和场景下的大规模MIMO无线信道测量数据；2)使用高分辨率参数估计算法提取多径复幅度、时延、离开角以及到达角；3)设定固定的角度域采样间隔，按照虚拟波束范围进行多径合并，与经过波束成形处理后的测量数据进行对比；4)分析各波束的多径数目、时延、角度扩展、波束域增益，计算波束间相关性和平稳间隔；5)根据分析得到的先验知识，建立大规模MIMO波束域信道模型。本方法主要解决现有大规模MIMO无线通信信道建模方法中，复杂度较高且精确度较低的问题，通过建立波束域模型，在保证每个波束模型精度的前提下有效降低了模型复杂度。

技术领域

本发明属于无线通信与信道建模技术领域，具体涉及一种基于角度域虚拟波束的大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)信道建模方法。

背景技术

在社会和商业因素的持续驱动下，我国移动通信技术快速发展，从早期的落后和跟随，逐步进入超越和引领阶段。目前，第五代(fifth generation，5G)移动通信系统已实现初步商用。据工信部数据显示，国内5G基站已建成逾140万个，占全球60％以上，已建成全球最大5G网络。作为增大传输速率、改善覆盖性能的最重要技术之一，大规模MIMO技术在基站端水平和垂直维度配置64或128个天线单元，相比于LTE MIMO技术不超过8个天线单元，能够有效利用空间资源，在同一时频资源上服务多个用户，提高系统的频谱效率和能量效率，为驱动未来通信系统的变革提供强大动力。

无线通信系统设计和评估的首要前提在于全面掌握无线信道传播特性，并在此基础上建立精确度、复杂度与普适性最佳折中的实用无线信道模型。然而，大规模MIMO的应用将会给无线信道带来不同于传统信道的传播特性，包括球面波、空间非平稳和信道硬化等。在传统天线域信道建模方法中，主要包括基于相关的随机信道模型以及基于几何随机的信道模型。前者假设信道元素为独立同分布的高斯随机变量，则信道矩阵可由空间协方差矩阵确定。该类建模方法具有较低的复杂度，常用于信道估计及系统性能分析，但无法准确描述大规模MIMO信道的新特性。目前，基于几何随机的信道模型被应用于大规模MIMO信道建模。该类模型根据发送端、散射体与接收端的几何关系，可实现对无线信道的准确描述，具有较好的普适性，已被多数标准化模型采用，如NYU WIRELESS、3GPP 38.901、METIS和mmMAGIC。已有相关研究者针对大规模MIMO无线信道的球面波、空间非平稳及信道硬化特性进行了几何随机信道建模。然而，随着天线阵元数目的增加，基于几何随机的信道模型复杂度量级提升，不利于进一步的信道模型应用和系统性能分析。

波束域信道建模作为一种新颖的建模方法，将传统天线域特性分析与建模转换至虚拟波束域进行研究。该类建模方法可按照角度、时延、多普勒频率划分虚拟波束，并以波束为基本单位观测落入该波束的来波，目前常用的是在角度域划分虚拟波束。波束域信道建模兼具基于相关的随机信道模型表达式简洁、复杂度较低的特点，以及几何随机信道模型精确度高的优势，保留了几何随机模型精髓，但未继承其复杂度，能够对信道进行线性描述，更方便地应用于传输理论的分析和评估。考虑波束域信道模型的以上优势，将传统天线域建模转换至波束域进行研究，能够带来精确度与复杂度更好的折中，进而为提出适用于全频段、全场景、全应用的普适信道模型，以及不同无线信道的共性理论分析奠定重要基础。目前，在不同频段和场景下，针对超大规模阵列的波束域无线信道特性分析还鲜有开展，以及缺少能够准确描述波束域特性的信道建模理论研究。因此，本发明重点开展波束域信道特性分析与建模研究，旨在寻求理论和建模方法等方面的突破，从而为超大规模MIMO无线通信系统的设计与评估提供理论基础，推动我国超大规模MIMO技术的应用与快速发展。

发明内容

技术问题：

为解决现有大规模MIMO信道模型复杂度过高且不利于进一步系统性能分析的问题，本发明提供一种基于角度域虚拟波束的大规模MIMO信道建模方法，以建立精确度与复杂度最佳折中的大规模MIMO信道模型。

技术方案：