一种基于夹持天线系统的6G无线信道建模方法

本发明涉及无线通信与天线，特别是一种基于夹持天线系统（pinchingantenna systems，pass）的6g无线信道建模方法。

背景技术：

1、面向6g的无线通信系统正朝着更高频段、更大带宽和更密集组网的方向演进，对信道容量和传输可靠性的需求日益增长。在传统的多天线系统中，天线阵元通常以固定间距刚性排布，这导致信道空间自由度受限，且在复杂的动态传播环境中，固定的空间拓扑难以灵活规避深衰落和遮挡，从而制约了系统的频谱效率与鲁棒性。

2、为突破固定天线架构的局限性，天线位置可重构技术应运而生，pass便是其中的典型代表。该系统允许夹持天线单元在介质波导载体上进行滑动或位置调整，从而实现天线阵元在物理空间中的大尺度、实时动态重构。这种机制不仅能够有效拓展空间分集增益，还能通过优化阵元排布来主动适应信道环境的时变特征。然而，现有的大多数信道建模研究仍基于阵元位置静态或局部微调的假设，未能准确刻画夹持天线沿载体连续滑动所引发的空间大尺度变化对信道统计特性的深刻影响，尤其是对空间-时间相关函数的动态演变规律及由此带来的信道容量增益缺乏系统性的理论建模。因此，亟需提出一种能够融合夹持天线连续运动特征与6g普适信道模型的新方法，以精准表征动态拓扑下的信道特性，为6g pass的设计与优化提供理论支撑。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法，通过将夹持天线在波导上的受控运动建模为一维简谐运动，并联合考虑波导内部传播的相移与损耗，结合6g普适信道模型，实现对包含夹持天线动态特性的信道时间自相关函数和信道容量的精确建模与优化。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、根据本发明提出的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法，包括：

4、步骤s1、将发射端pass中各夹持天线沿波导的位置随时间的变化建模为一维简谐运动，接收端天线保持静止；

5、步骤s2、利用6g普适信道模型对自由空间传播的信道冲激响应进行建模，将信道冲激响应分解为视距los分量和非视距nlos分量，并引入波导传播效应，包括波导时变相移和波导损耗，从而得到pass辅助的信道参数矩阵；

6、步骤s3、将一维简谐运动的位移映射为夹持天线与接收天线间的自由空间传播距离的动态变化，联合波导传播效应集成到6g普适信道模型中，从而构建pass辅助的信道传输函数；

7、步骤s4、基于夹持天线与接收天线间的自由空间传播距离的动态变化以及pass辅助的信道传输函数，推导视距los分量和非视距nlos分量的时间自相关函数，分析夹持天线一维简谐运动的参数对时间自相关函数的影响；

8、步骤s5、基于pass辅助的信道参数矩阵以及多输入多输出mimo信道容量公式，计算信道容量，并分析夹持天线一维简谐运动的参数对信道容量的影响；

9、步骤s6、基于一维简谐运动的参数对时间自相关函数和信道容量的影响，对时间自相关函数和信道容量进行数值仿真，展示信道特性的变化。

10、作为本发明所述的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法进一步优化方案，步骤s1中，夹持天线沿波导的位置随时间的变化满足以下条件：

11、

12、其中，表示第个夹持天线在时刻的位移，、和分别表示第个夹持天线一维简谐运动的振幅、角频率和初始相位，初始相位服从[0,2π]上的均匀分布。

13、作为本发明所述的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法进一步优化方案，步骤s2中，6g普适信道模型的信道参数矩阵表示为：

14、

15、其中，为pass辅助的信道参数矩阵，为路径损耗，为阴影衰落，为阻挡效应，为大气吸收损耗，为天气影响损耗，为小尺度衰落，为波导时变相移，为波导损耗，是哈达玛矩阵乘法；

16、小尺度衰落中第个夹持天线与第个接收天线阵元之间的信道冲激响应表示为视距los分量与非视距nlos分量的叠加：

17、

18、其中，为莱斯因子，为时延，为视距los分量，为非视距nlos分量。

19、作为本发明所述的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法进一步优化方案，步骤s3中，夹持天线与接收天线间的自由空间传播距离通过以下公式近似计算：

20、

21、其中，为发射天线与接收天线之间的固定距离，为第个夹持天线在时刻的瞬时径向坐标，和分别为波导轴的俯仰角和方位角；为第个接收天线的径向坐标，和分别为第个接收天线的俯仰角和方位角。

22、作为本发明所述的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法进一步优化方案，步骤s3中，时刻pass辅助的信道传输函数表示为：

23、

24、其中，为第个夹持天线与第个接收天线之间自由空间部分的信道传输函数，为接收天线个数，为夹持天线个数；

25、波导内部传播的时变相移和波导损耗分别建模为：

26、，其中波导内部传播波数

27、，其中波导对数损耗

28、其中，为波导内的导波波长，且满足，为自由空间波长，为波导的截止波长；为波导馈电点位置，为介质波导的平均衰减因子，e为自然底数，j为虚数单位。

29、作为本发明所述的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法进一步优化方案，步骤s4中，时间自相关函数为：

30、

31、其中，表示时刻pass辅助的信道传输函数，和分别表示视距和非视距分量的时间自相关函数，为时间间隔，表示共轭操作；

32、视距分量的时间相关函数的闭合表达式为：

33、

34、其中，为阵列功率归一化常数， 为第一类零阶贝塞尔函数，为与时间间隔无关的静态常数项，为等效波数，其分别定义为：

35、

36、

37、其中，为第个夹持天线简谐振动的幅度，且，为初始状态下相邻两个夹持天线之间的距离，表示载波频率，表示天线工作的频率。

38、作为本发明所述的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法进一步优化方案，步骤s4中，非视距分量的时间相关函数表示为：

39、

40、其中，为散射簇在时间间隔内的生存概率，中间变量，表示期望操作。

41、作为本发明所述的一种基于夹持天线系统的6g无线信道建模方法进一步优化方案，步骤s5中，信道容量的计算公式为：

42、

43、其中，为pass辅助的信道参数矩阵，为×的单位矩阵，为信噪比，det(·)为求行列式操作，表示共轭转置操作。

44、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

45、(1)精准刻画动态特征：通过将夹持天线的运动建模为一维简谐运动，并首次在信道模型中联合考虑了由天线位移引起的自由空间传播距离变化以及波导内部的时变相移和传输损耗，能够更真实、精准地反映pass在动态重构下的信道特征；

46、(2)降低时间相关性：推导出的时间自相关函数闭合解表明，夹持天线的一维简谐运动能够有效加速信道时间相关性的衰减，且运动振幅越大、角频率越高，时间去相关效果越显著，这有助于减轻符号间干扰并优化自适应调制；

47、(3)显著提升信道容量：利用夹持天线米级尺度的移动能力在波导上构建近用户视距连接，相较于传统静态天线阵列，本发明模型验证了pass能大幅降低大尺度路径损耗，并且受控的一维简谐运动带来了空间分集增益，从而显著提升了系统的遍历信道容量。