本發明涉及一種能夠模擬室內多天線通信系統中衰落信號傳播特性的方法，適用于綜合考慮陰影效應及小尺度衰落等復合衰落的復雜室內多天線無線通信場景。

背景技術：

無線信號在傳播過程中，由于受傳播環境復雜性的影響，電磁波在遇到或通過障礙物時容易產生各種反射、折射、衍射等物理現象，從而導致接收端接收到的電信號實際上是幅度和相位隨傳輸的不同路徑和時間變化而發生隨機改變的衰落信號。根據通過無線信道傳輸后信號的特點，無線衰落可以分為大尺度衰落(large-scalefading)和小尺度衰落(small-scallfading)。對于本發明所涉及的應用環境，如大型辦公樓、大型超市、商場等復雜室內環境，總體而言，信號傳輸的距離較短，信號經歷的衰落通常為小尺度衰落(小尺度衰落是指當移動臺在一個較小的范圍內移動，接收信號在短期內的快速波動，反映的是較短的距離和時間之內接收信號所呈現的快速起伏特性)。

小尺度衰落通常包括rayleigh衰落、rice衰落和nakagami衰落：當發射端與接收端之間不存在直射路徑，接收信號僅是通過周圍障礙物的衍射、散射等途徑到達接收端，此時的信號即包絡服從rayleigh分布；而當接收信號中存在直射信號分量時，此時的信號包絡服從rice分布；通過大量的數據分析，對于實際復雜的傳輸環境，使用nakagami衰落來描述小尺度衰落更為準確和便利，這是因為nakagami衰落可以通過調整衰落指數m的值，模擬包括單邊高斯、rayleigh、rice、近似高斯衰落等，非常符合復雜通信環境。

近年來通過對室內通信系統的研究還發現，接收機接收到的信號包含非常多的射線簇(cluster)，每一簇(cluster)又含有很多子徑，每簇和每簇中的子徑的到達時間基本上都服從獨立泊松過程，從而構成豐富的多徑信道傳播環境。

在已有的傳統描述室內衰落信道的s-v模型中，使用rayleigh分布來描述簇中子徑的幅度的方法不能很好地模擬復雜室內通信環境，故而存在一定的局限性。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明目的是提供一種能夠模擬室內多天線通信系統中衰落信號傳播特性的方法，該方法綜合考慮陰影效和小尺度衰落應給接收信號帶來的不利影響，能夠準確地描述室內復雜傳輸環境中、尤其是多天線通信系統信號衰落的傳播特性。

為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：

本發明的一種能夠模擬室內多天線通信系統中衰落信號傳播特性的方法，包括以下幾個步驟：

(1)生成在(0,2π)范圍內隨機分布的發射端第k簇的發射角angle_t；

(2)利用公式(9)生成服從拉普拉斯變換的相對于第k簇發射角angle_t的偏移角w_kl_t，然后通過偏移角w_kl_t與發射角angle_t相加得到發射端第k簇第l子徑的發射角theta_t；

(3)重復步驟(1)與步驟(2)，使用同樣的方法生成接收端第k簇第l子徑的到達角theta_r；

(4)生成在(0,2π)范圍內均勻分布的相位角；

(5)利用近似逆變換法生成衰落指數為m的nakagami-m隨機數，nakagami-m隨機數與相位角相乘組成復包絡隨機數；

(6)利用相位差異表達式與導向向量表達式即公式(12)生成發射端導向向量w_t_m和接收端導向向量w_r_n；

(7)將所述發射端導向矢量w_t_m、接收端導向向量w_r_n和復包絡隨機數代入信道沖擊響應公式得到m*n信道矩陣。(通過該信道矩陣可以用現有的軟件仿真得到信道沖激響應圖以及信道容量pdf圖，從而進一步驗證該方法的特性)

本發明的步驟(4)、(5)中，記第k簇的第一個子徑到達時間為tk、平均到達率為a的泊松過程，每簇中的子徑到達時間是服從平均到達率為a的泊松過程，則接收端信號簇與簇中子徑到達時間分布分別服從以下指數分布：

τl,k表示第k簇中第l子徑的到達時間，τ0,k是第k簇的第一條子徑的到達時間，并設定為第k簇的到達時間，即τ0,k＝tk；

設βl,k和θl,k分別指的是第k簇第l子徑的幅度和相位，則k簇及每簇l條子徑的時間和空間上的信道沖激響應表達式為：

其中，k為簇的數量，l為每簇中的子徑數量，θ^t為發射機的發射角，θ^r為接收機的到達角，為第k簇的平均發射角，為第k簇的平均到達角，為第k簇第l子徑相對于的發射角，為第k簇第l子徑相對于的到達角，τk為第k簇的到達時間，τl,k為第k簇第l子徑相對于τk的到達時間，βl,k為第k簇第l子徑的復增益系數，

為第k簇第l子徑的相位θl,k的復數表達形式，δ為一物理字符，如d(t-t0)表示時間在t0時刻有值，xσ和βl,k分別代表服從對數正態分布的陰影效應和服從nakagami分布的小尺度信道衰落接收變量值，nakagami分布的概率密度函數表達式為：

對于nakagami分布而言，上式(4)中為gamma函數，m稱為衰落因子或衰落指數，表示小尺度衰落的嚴重程度，ω指第k簇第l子徑的平均功率，表達式分別為：

γ和γ分別是簇和子徑中功率衰減的時間變量，是第一簇第一子徑的平均功率，e(·)表示求期望，在式(5)中，簇平均功率以指數衰減，簇中子徑平均功率以指數衰減，當第一簇第一子徑的平均功率確定，簇中其他子徑的平均功率通過上述公式得到，通常情況下不考慮路徑損耗，被歸一化為1。

步驟(1)、(2)、(3)中，當陰影衰落由阻擋衰減決定時，陰影衰落用下面的模型來分析，其衰減表達式為：

s(d)＝e^-αd(7)

式中，d是障礙物物體的厚度，α是表征傳輸信道中各種障礙物的綜合衰減因子；若第i個障礙物的衰減常數是αi，寬度的隨機值di，那么信號經歷的衰減表達式服從公式：

如果信號的傳輸路徑中存在多個的障礙物，根據中心極限定理，∑iαidi可看作是服從高斯分布的隨機序列；如此，logs(di)就是一個均值為μ、方差為σ的高斯隨機變量；因此在公式(3)中引入對數正態分布以反映陰影衰落的影響，σx表示隨機變量x的方差；

對于發射端與接收端結構相同的系統，aoa與aod的分布是相同的；根據室內測試數據以及發射端與接收端的對稱性，aoa/aod服從雙邊拉普拉斯分布：

式中，ω是相對于簇的平均值的發射角和到達角，σ(r,t)是以弧度表示的角度標準差，σp表示到達角或發射角的標準差。

步驟(6)中，由不同天線上接收或發射信號波程差導致的相位差異表達式可通過坐標軸旋轉方法計算得到：

式中，k0＝2π/λ0是自由空間波數，λ0是中心頻率對應的波長，和分別是第m個接收天線與第n個發射天線的坐標，θ是接收天線或發射天線的相對到達角或發射角。

步驟(6)中，所述導向向量表達式為：

其中，和代表的是第m根接收天線和第n根發射天線的增益方向圖，j為在復數中虛數的標志，如復數a+jb，則a是實部，b是虛部。

步驟(7)中，對于上述任意一次信道實現，假設天線均為全向輻射，在不考慮天線之間耦合效應的情形下，所述信道沖擊響應公式如下：

其中，t表示信號到達時間。

衰落指數m分別取0.65、1、4。

本發明以nakagami分布來表征室內接收信號射線簇中各子徑幅度的分布，通過調整nakagami衰落指數m的值，進而模擬不同衰落程度下的室內衰落環境；同時采用對數正態分布來近似大型障礙物所產生的陰影效應給信號帶來的影響，并通過引入無線電波與天線之間的發射角(angleofdeparture，aod)與到達角(angleofarrive，aoa)、以及天線輻射方向圖和信號相程差等的概念來綜合表征多天線傳輸的效果，進而得到描述該復雜室內衰落特性的信道沖激響應數學表達式及實現過程。

附圖說明

圖1(a)為發射端第k簇收發信號信道傳輸參數圖；

圖1(b)為接收端第k簇收發信號信道傳輸參數圖；

圖2為本發明中所設計的各簇子徑復包絡基于nakagami分布時的信道容量pdf圖；

圖3(a)為本發明中所設計的各簇子徑復包絡基于nakagami分布時的信道沖激響應圖(衰落指數m＝0.65)；

圖3(b)為本發明中所設計的各簇子徑復包絡基于nakagami分布時的信道沖激響應圖(衰落指數m＝1)；

圖3(c)為本發明中所設計的各簇子徑復包絡基于nakagami分布時的信道沖激響應圖(衰落指數m＝4)；

圖4為本發明所提出的模擬室內復雜多天線衰落信號傳播特性方法的具體實現流程圖。

具體實施方式

為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。

本發明的實施例是在室內復雜多天線傳輸環境中，構造能夠最大程度上逼近實際室內應用環境信道特性的一種有效方法，以為通信系統的軟硬件設計、性能仿真與評估、以及后續性能的優化提供服務。

在室內復雜多天線通信系統中，通過大量的實驗測試數據表明，接收機接收到的信號包往往括很多簇(cluster)，每一簇(cluster)中包含一組子徑，每簇和每簇中子徑的到達時間都服從獨立泊松過程，每一路徑的時延可以是任意值大小。記第k簇的第一個子徑是到達時間為tk、平均到達率為a的泊松過程，每簇中的子徑到達時間是服從平均到達率為a的泊松過程，則接收端信號簇與簇中子徑到達時間分布分別服從以下指數分布：

這里τl,k表示第k簇中第l子徑的到達時間，τ0,k是第k簇的第一條子徑的到達時間，并設定為第k簇的到達時間(即τ0,k＝tk)。

在多天線通信系統中，當我們從時間和空間兩個維度來考慮接收信號時，必然需要引入無線電波與天線之間的發射角aod和到達角aoa這兩個參量，單簇中(比如第k簇)的子徑傳輸信號的發射參數和接收參數如圖1(a)和圖1(b)所示。設βl,k和θl,k分別指的是第k簇第l子徑的幅度和相位，則k簇及每簇l條子徑的時間和空間上的信道沖激響應表達式可表達為：

上式中各參數如表1所示；其中，xσ和βl,k分別代表服從對數正態分布的陰影效應(后面會進一步解釋)和服從nakagami分布的小尺度信道衰落接收變量值，nakagami分布的概率密度函數表達式為：

表1信道表達式中涉及的參數

對于nakagami分布而言，上式(4)中為gamma函數，m和ω是nakagami分布的兩個重要參數，m稱為衰落因子或衰落指數，表示小尺度衰落的嚴重程度，ω指第k簇第l子徑的平均功率，表達式分別為：

這里γ和γ分別是簇和子徑中功率衰減的時間變量，是第一簇第一子徑的平均功率。在式(5)中，簇平均功率以指數衰減，簇中子徑平均功率以指數衰減。一旦第一簇第一子徑的平均功率確定，簇中其他子徑的平均功率通過上述公式就都能夠得到，這里由指定場景的路徑決定，通常情況下不考慮路徑損耗，被歸一化為1。

當陰影衰落主要由阻擋衰減決定時，陰影衰落可以用下面簡單的模型來分析，其衰減表達式為：

s(d)＝e^-αd(19)

式中，d是障礙物物體的厚度，α是表征傳輸信道中各種障礙物的綜合衰減因子。若第i個障礙物的衰減常數是αi，寬度的隨機值di，那么信號經歷的衰減表達式服從公式：

如果信號的傳輸路徑中存在較多的障礙物，根據中心極限定理，∑iαidi可看作是服從高斯分布的隨機序列。如此，logs(di)就是一個均值為μ、方差為σ的高斯隨機變量。因此可以在公式(3)中引入對數正態分布以反映陰影衰落的影響。

對于發射端與接收端結構相同的系統，aoa與aod的分布應該是相同的。根據室內測試數據以及發射端與接收端的對稱性，aoa/aod服從雙邊拉普拉斯分布：

式中，ω是相對于簇的平均值的發射角和到達角，σ(r,t)是以弧度表示的角度標準差。對于上述任意一次信道實現，假設天線均為全向輻射，在不考慮天線之間耦合效應的情形下，信道沖擊響應可寫成：

其中導向向量的表達式為：

上述導向向量表達式中的和代表的是第m根接收天線和第n根發射天線的增益方向圖，而由不同天線上接收或發射信號波程差導致的相位差異表達式可通過坐標軸旋轉方法計算如下：

式中，k0＝2π/λ0是自由空間波數，λ0是中心頻率對應的波長，和分別是第m個接收天線與第n個發射天線的坐標。

圖2、圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別給出了簇內子徑包絡服從nakagami衰落時的室內多天線傳輸信道特性的計算機模擬效果圖。在模擬過程中，主要信道參數取值如下：平均簇到達率a＝0.023，平均子徑到達率a＝2.5，簇平均功率衰減指數γ＝7.4，子徑平均功率衰減指數γ＝4.3，對數正態標準差σx＝3db，簇的數量k＝10，簇中子徑的數量l＝15，發射天線個數m＝2，接收天線個數n＝2。圖2為本發明中所設計的各簇子徑復包絡基于nakagami分布時的信道容量pdf圖，如圖所示，當衰落指數m分別取值為0.65和1時，pdf最大值所對應的信道容量值無明顯差別，然而衰落指數m取值為4時，pdf最大值所對應的信道容量值遠大于衰落指數m取值為0.65和1時的信道容量值，這是因為隨著衰落指數m取值變大，信道衰落程度減小的緣故。如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)所示，當衰落指數m較大時(比如m＝4)，相同時延情況下簇中子徑的幅度值比m較小時(比如m＝0.65)簇中子徑的幅度值要大得多，這也與nakagami衰落過程中，信號經歷的衰落程度隨衰落指數m的增大而減小這一基本物理特性相符合。

參見圖4，以下為本發明所提出的模擬室內復雜多天線衰落信號傳播特性方法的具體實現步驟及流程：

(1)生成在(0,2π)范圍內隨機分布的發射端第k簇的發射角angle_t；

(2)生成服從拉普拉斯變換的相對于第k簇發射角angle_t的偏移角w_kl_t，然后通過偏移角w_kl_t與發射角angle_t相加得到發射端第k簇第l子徑的發射角theta_t；

(3)重復步驟1與步驟2，可以使用同樣的方法生成接收端第k簇第l子徑的到達角theta_r；

(4)生成在(0,2π)范圍內均勻分布的相位角；

(5)利用近似逆變換法生成衰落指數m分別取0.65、1、4時的nakagami-m隨機數，與相位角相乘組成復包絡隨機數；

(6)不失一般性，發射天線與接收天線均為全向輻射，不考慮天線之間的耦合效應，利用相位函數表達式(12)與表達式(11)生成發射端導向向量w_t_m和接收端導向向量w_r_n；

(7)將發射端導向矢量、接收端導向向量和復包絡隨機數代入公式(10)得到m*n信道矩陣；

以下為本發明所提出的模擬室內復雜多天線衰落信號傳播特性方法的具體實現算法：

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。