[发明专利]一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法

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1.一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)根据无线信号发送车辆、无线信号接收车辆、散射体之间的位置以及车身高度，建立隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型；

(2)计算所述车对车无线信道几何模型中的角度、信号反射路径长度和多普勒频移；

(3)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型，计算隧道场景车对车无线信道容量；

所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2a)计算车对车无线信道几何模型中的角度，所述角度包括SB₁单跳反射路径的水平离开角和水平到达角SB₂单跳反射路径的水平离开角和水平到达角SB₃单跳反射路径的水平离开角和水平到达角SB_G单跳反射路径的水平离开角和水平到达角SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角

对于水平到达角和水平离开角采用修正的等面积修补法进行计算，其具体方法为：

式中，分别为所对应的连续变量，分别为连续变量的均值，在隧道场景下将参数设置为I₀(.)为第一类零阶贝塞尔函数；和分别为控制连续变量向相应的均值处集中程度的参数，在车对车无线信道几何模型中设置和的值越大，则向相应的均值处的集中程度越高；

对于到达俯仰角其计算公式为：

式中，β_m代表到达俯仰角的最大值；

对于水平离开角水平到达角和离开俯仰角其计算公式为：

式中，为静态散射体到信号发送车辆天线中心的距离，为静态散射体到信号接收车辆天线中心的距离，其计算公式为：

对于SB_G单跳反射路径的水平离开角离开俯仰角和到达俯仰角先计算第n_G个地面有效散射体的所在地面散射半径其计算公式为：

对于水平离开角离开俯仰角和到达俯仰角其计算公式为：

(2b)计算车对车无线信道几何模型中的信号反射路径长度，所述信号反射路径包括直视路径、SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径、SB₃单跳反射路径、双跳反射路径和SB_G单跳反射路径；

对于直视路径长度：

ε_pq＝D-k_pδ_Tcosθ_T+k_qδ_Rcosθ_R

式中：M_T和M_R分别为MIMO通信系统的无线信号发送车辆和无线信号接收车辆上的全向天线数，p和q为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的第p根和第q根天线，θ_T和θ_R为无线信号接收车辆和无线信号发送车辆天线阵列水平倾角；

对于SB₁单跳反射路径长度：

式中：R_T和R_R分别为围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的圆环半径，为移动散射体到无线信号接收车辆天线中心的距离：

对于SB₂单跳反射路径长度：

式中：为移动散射体到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于SB₃单跳反射路径长度：

式中，为静态散射体到无线信号接收车辆天线中心的距离：为静态散射体到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于双跳反射路径长度：

对于SB_G单跳反射路径长度：

式中，分别表示无线信号发送车辆第p根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标，分别表示无线信号接收车辆第q根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标：表示地面散射体在x、y、z坐标轴上的位置坐标：

(2c)计算车对车无线信道几何模型中的多普勒频移，多普勒频移包括无线信号接收车辆和无线信号发送车辆和移动散射体运动引起的直视路径上的多普勒频移f_LOS、SB₁单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2、SB₃单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SBG和双跳反射路径上的多普勒频移f_DB；

直视路径上的多普勒频移f_LOS的计算公式如下：

式中：V_T和γ_T分别为无线信号发送车辆的速度大小和方向，V_R和γ_R分别为无线信号接收车辆的速度大小和方向；f_Tm＝V_Tf_c/c、f_Rm＝V_Rf_c/c分别为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆运动引起的最大多普勒频移，f_c为载波频率，为直视路径的水平离开角和水平到达角，c为光速，其值为3×10⁸；

SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、f_SB2的计算公式如下：

式中：f_s1＝V_s1f_c/c、f_s2＝V_s2f_c/c分别为无线信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移，V_s1、V_s2为围绕无线信号发送车辆移动散射体和围绕无线信号接收车辆移动散射体的运动速度；

SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、f_SBG的计算公式如下：

双跳反射路径上的多普勒频移f_DB的计算公式如下：

所述步骤(1)中隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型由两个2D圆环、一个3D半椭球体和一个3D椭圆柱构成，其中两个2D圆环的圆心分别代表无线信号发送车辆和无线信号接收车辆，无线信号发送车辆和无线信号接收车辆上分别配备有M_T根和M_R根全向天线，且全向天线呈均匀线性阵列分布，无线信号发送车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_T，无线信号接收车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_R，两个2D圆环的圆心间的距离为D；所述两个2D圆环是指一号圆环和二号圆环，所述一号圆环为围绕在无线信号发送车辆周围的移动散射体，共有N₁个移动散射体分布在一号圆环上，第n₁个移动散射体表示为二号圆环为围绕在无线信号接收车辆周围的移动散射体，共有N₂个移动散射体分布在二号圆环上，第n₂个移动散射体表示为一号圆环的半径为R_T，二号圆环的半径为R_R，且满足D＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D半椭球体代表围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的隧道上部弯曲墙壁，共有N₃个静态散射体分布在半椭球体上，第n₃个静态散射体表示为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D半椭球体底面椭圆的两个焦点上，即两个2D圆环的圆心分别与3D半椭球体底面椭圆的两个焦点重合，3D半椭球体底面椭圆的焦距即无线信号发送车辆和无线信号接收车辆间的距离D，其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示，且满足D＝2f，min{a-f}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D椭圆柱代表围绕在无线信号发送车辆和无线信号接收车辆周围、与车身高度H₀相等的垂直隧道墙壁，无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点上，两个2D圆环的圆心分别与3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点重合，即3D椭圆柱顶面椭圆与3D半椭球体的底面椭圆相重合；二号圆环在3D椭圆柱底面椭圆上有一个半径为R_R的投影区域，共有N_G个地面有效散射体分布在该投影区域内上，第n_G个地面有效散射体表示为

无线信号由无线信号发送车辆直接到达无线信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS，路径长度记为ε_pq，直视路径从无线信号发送车辆出发的水平离开角和到达无线信号接收车辆的水平到达角分别记为和由无线信号发送车辆发出经过散射体反射后到达无线信号接收车辆的路径为SB_i单跳反射路径，路径长度记为ε_pqni；SB_i单跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别记为SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为由无线信号发送车辆发出先后经过散射体和两次反射后到达无线信号接收车辆的路径为DB双跳反射路径，路径长度记为DB双跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别为

所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3a)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型它表示为一个M_R×M_T维度的矩阵，其中h_pq(t)为无线信号发送车辆第p个天线到无线信号接收车辆第q个天线之间的冲激响应，其表示为：

式中，为直视路径的信道冲击响应分量，为双跳反射路径的信道冲击响应分量，分别为SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径的信道冲击响应分量，分别为SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径的信道冲击响应分量，其表示式分别为：

式中：c为光速，其值为3×10⁸，且满足λ·f_c＝c，λ为载波波长，f_c为载波频率；为散射体与传播射线相互作用产生的相位偏移；E[]为统计期望算子；k为信道仿真模型的莱斯因子；功率系数η_DB代表着SB_i冲激响应分量、SB_j冲激响应分量和DB冲激响应分量占总功率值的比例，且满足在低车流密度的隧道场景下将功率系数设置为η_DB＝0.2；在仿真实验中，通过对功率系数提前赋值来指明各个反射分量在总反射中的含量，表征在不同车流密度的隧道场景下的信道模型，在高车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足在低车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足

(3b)基于生成的隧道场景车对车无线信道仿真模型H(t)，计算隧道场景下的车对车MIMO实时无线信道容量capacity(t)：

式中：det(·)代表行列式算子，(·)^T代表矩阵转置算子，为M_R维的单位矩阵，S为信噪比。