[发明专利]一种基于MIMO的对流层散射通信随机信道建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及对流层散射信道的建模方法，特别是一种基于MIMO的对流层散射通信随机信道建模方法。

背景技术

多输入多输出技术(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，被视为下一代移动通信的核心技术。

对流层散射信道是一个复杂的变参数信道。在对流层散射通信中，电磁波的损耗不仅决定于信号频率、传输距离，波束能量在经过散射体散射时也将产生损耗。当电磁波射入散射体时，电磁波的能量是由入射角、散射角的角度关系以及散射体吸收电磁波的能力所共同决定的。根据目前最广泛使用的湍流非相干散射理论的观点，散射波的能量将分布在各个方向上，散射角越分散，则散射波的能量就越小。

目前工程上大多采用等效地球理论对散射通信链路传输损耗进行建模。等效地球理论指出，在近地表面大气中，可认为大气折射指数随高度均匀变化，在这种情况下，电波射线曲率为固定常数。在等效地球之上，除电波射线变为直线外，天线仰角、端点高度和地面距离等都不变。目前工程上常用的两种损耗计算方法--ITU-R617和NBS-101均采用等效地球的信道空域分析方法。两者的区别在于，ITU-R617中所采用的气候参数更为精确，计算方便；而NBS-101对信号频域的衰减给出了更为完备的计算公式，但计算过程十分繁琐。然而两种损耗计算方式都没有给出明确的波束与散射体碰撞时的能量损耗模型。

根据对流层的湍流现象，本发明将对流层建模为一个可微的曲面，散射体随机分布在曲面的各点上。首先，根据湍流非相干散射理论，建立了电磁波束射入散射体后，散射波在散射体表面的能量损耗分布模型，并根据此模型将能量损耗量化。其次，本发明提出一种MIMO下波束传输距离的计算方法。最后，本发明推导得到基于MIMO对流层散射信道的衰落系数和信道矩阵。

发明内容

本发明的技术方案：

本发明的应用场景如附图1所示，有两个静止的MIMO通信站点，分别位于直线距离l处。由于两个站点距离较远，故接收信号中非视距分量将占据绝大部分。由于对流层中各点气压不同，产生了湍流现象，导致对流层各点到地面的距离均不相等；同时为了便于分析，在信道几何模型构建时，将对流层视作可微的曲面，各散射体就随机的分布在曲面上，电磁波束就通过各散射体的散射从而将波束传向接收站点。

在对流层散射信道中，信号的损耗来源于两个方面：一方面来源于信号在传输过程中链路上的损耗；另一方面来源于波束在经过多个散射体散射过程中消耗的能量。而信号相位的变化也来源于两个方面：一方面是由信号波长和链路长度决定的相移；另一方面来源于波束在经过散射后所附加上的随机相移。

波束在通过散射体时散射出的波束将射向四面八方，出射波束的能量随着散射角的增大而减小。根据湍流非相干散射理论，在产生镜面反射的角度上，散射波束的能量最大，在其它角度上波束能量随散射角度与反射角夹角的增大呈指数衰减。同时能量衰减的程度还与散射体对电磁波的吸收能力有关。由此，本发明将散射体建模为一球体，将散射波在散射体表面的能量分布问题转化为球体表面的二重积分问题。同时本发明基于信道的几何模型和若干可实测的数据参数，提出了一种基于MIMO的多天线链路距离计算方法。最后，推导了MIMO技术背景下，对流层散射信道的衰落系数和信道矩阵。

本发明的信道建模过程具体如下：

信道几何模型如附图2所示。假定与某个路径长度关联的所有散射体S_(k)(k＝1，2，···，N)(N为散射体总数)位于同一曲面上；两个通信站点间的直线距离为l；点A是发射天线阵列的几何中心，点B是接收天线阵列的几何中心；发射端有N_t根天线，接收端有N_r根天线；A_Ti为第i根发射天线，B_Rj为第j根接收天线。

从发射端A_Ti(i＝1，2，···，N_t)到接收端B_Rj(j＝1，2，···，N_r)链路的信道矩阵为

其中h_ij为空间信道的衰落系数，由于视距分量十分微弱，在此处为分析简便，忽略不计，所以有