[发明专利]多输入多输出通信系统信道的一种非物理建模与仿真方法

摘要

多输入多输出通信系统信道的一种非物理建模与仿真方法。首先建立多输入多输出(MIMO)通信系统信道的非物理模型相关矩阵；其次生成独立的多径衰落信道，然后对生成的独立信道衰落系数进行独立性验证；最后计算空间相关矩阵，利用第三代合作伙伴计划(3GPP)给出的角度功率谱密度的形式，计算得出空间相关函数，再利用MIMO系统信道的非物理模型公式即可获得多输入多输出MIMO信道的空间相关矩阵。本发明方法充分体现了MIMO信道中的空间特性，更加逼真的反映出了MIMO信道在空间中由于各天线衰落的不独立导致MIMO信道的空间相关特性。

主权项

1.多输入多输出通信系统信道的一种非物理建模与仿真方法，其特征是，包括下述步骤：1)建立多输入多输出(MIMO)通信系统信道的非物理模型相关矩阵：$R_H=R_H^{\mathrm{Tx}}\otimes R_H^{\mathrm{Rx}}---\left(3\right)$ 即信道的相关矩阵是发射机天线相关矩阵RHtx和接收机天线相关矩阵RHRx的Kronecker积，其中，发射机天线相关矩阵RHTx和接收机天线相关矩阵RHRx是由空间相关函数计算得到的，已知信道相关矩阵后，多输入多输出MIMO无线信道的每一个可分辨径l的信道衰落系数可以表示为：${\bar{H}}_l=\sqrt{P_l}{C}_l{\alpha }_l----\left(4\right)$ 式中，${\bar{H}}_l={\left[\begin{array}{ccc}{h}_{11}^{\left(l\right)}{h}_{21}^{\left(l\right)}L& h_{N1}^{\left(l\right)}{h}_{12}^{\left(l\right)}{h}_{22}^{\left(l\right)}L& h_{\mathrm{NM}}^{\left(l\right)}\end{array}\right]}_{\mathrm{NM}\times 1}^T;$ Pl是功率延迟分布中定义的第l个可分辨径的功率；Cl是NM×NM的空间相关矩阵RH $(R_H=C_l{C}_l^T)$ 的Cholesky分解，${\alpha }_l={\left[\begin{array}{cc}{\alpha }_1^{\left(l\right)}{\alpha }_2^{\left(l\right)}L& {\alpha }_{\mathrm{NM}}^{\left(l\right)}\end{array}\right]}_{\mathrm{NM}\times 1}^T$ 其中的每一个α1(l)都是相互独立的小尺度衰落系数，等同于单输入单输出(SISO)信道中各径的衰落系数，根据公式(4)，具有空间相关性的多输入多输出无线通信信道可以利用独立多径衰落信道的信道衰落系数与空间相关矩阵的乘积而获得；2)生成独立的多径衰落信道，将待处理的数据块从窄带信号区Tx经过各路径的独立Rayleigh平坦衰落，至接收端数据交换区Rx位置进行叠加，即将一个“宽带”信号通过多径信道可以看成为一个“窄带”信号分别通过多个独立的Rayleigh平坦衰落模块来实现；其中Rayleigh平坦衰落模块利用成形滤波器的方法产生符合Jakes模型功率谱密度，其幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的随机变量；3)对生成的独立信道衰落系数进行独立性验证，首先对信道进行采样构成两组随机变量，它们的相关函数取值为零是两个信道相互独立的必要条件，而取值大小给出它们之间线性相关强弱的测度，采用互协方差函数来检验之：设任意两个信道的幅度分别为r和v，它们的期望和方差分别为μr，sr2和μv，sv2，则它们之间的互协方差函数可以定义为：${\mathrm{cov}}_{r,v}=\frac{E\left[(r-{\mu }_r)(v-{\mu }_v)\right]}{s_r{s}_v}-----\left(7\right)$ 一般情况下，当|covr，v|＜0.3时，可认为它们是不相关的；4)计算空间相关矩阵，利用第三代合作伙伴计划(3GPP)给出的角度功率谱密度的形式，计算得出空间相关函数，再利用公式(3)可以得出多输入多输出MIMO信道的空间相关矩阵；第三代合作伙伴计划3GPP给出的角度功率谱密度有两种形式，一种形式是均匀分布的角度功率谱，另外一种形式是Lapacian(拉普拉斯)分布的角度功率谱，在均匀分布角度功率谱下，各不可分辨径均匀分布在[θ-σp，θ+σp]时，那么第m根天线和第n根天线的空间相关函数的表达式为：$R(n,m)=e^{-j2\pi \sin \bar{\theta }\frac{(n-m)d}{\lambda }}\mathrm{Sinc}\left[\frac{2(m-n)d}{\lambda }{\sigma }_p\cos \bar{\theta }\right]------\left(16\right)$ 其中σp为天线端的角度扩展，θ为平均到达角度；而在Lapician分布角度功率谱下，天线S1和天线S2之间的空间相关函数的表达式为：${\rho }_{s_1,s_2}={\rho }_1+{{\rho }_2+{\rho }_3+\rho }_4-----\left(21\right)$ 其中：ρ1为到达角度位于[-π，-θc]时的空间相关系数值，ρ2为到达角度位于[-θc，θ]时的空间相关系数值，ρ3为到达角度位于[θ，θc]时的空间相关系数值，ρ4为到达角度位于[θc，π]时的空间相关系数值，根据天线模型θc≈90°，θ为平均到达角度。