一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法与流程

1.本发明涉及信道建模技术领域，特别是涉及一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法。


背景技术：

2.第六代移动通信(the sixth generation，6g)在数据流量、连接和覆盖方面均提出新的需求。由于携带oam的涡旋波展现出更强的信息携带能力，受到越来越多的关注。oam这一技术的核心思路是从电磁波物理特性角度提供新的可调控变量，增加系统的自由度，为6g提供了提升频谱效率的新思路。但目前oam信道建模相关的成果很少，而信道建模及特性分析对于通信系统设计和性能评估至关重要，亟待展开进一步研究。
3.目前oam信道建模主要集中在直射场景下。直射场景的链路预算、基于弗里斯公式的信道冲激响应均已有推导(analysis and experiments on reflection and refraction of orbital angular momentum waves)。除此以外，近期有文献证明基于oam的mimo系统在直射场景下等效于天线间隔更大的传统mimo系统。在非直射场景下的oam信道建模研究较少。
4.目前非直射场景下的信道模型均假设散射体分布于规则几何体上，例如浙江大学郑史烈教授团队提出的基于环形的散射模型(non-line-of-sight channel performance ofplane spiral orbital angular momentum mimo systems)和西安电子科技大学程文驰教授团队提出的基于椭圆的散射模型(oam transmission in sparse multipath environments with fading)。同时上述信道模型只考虑如基于均匀圆形天线阵列(uniform circularantennaarray,ucaa)辐射特性等特定天线，不支持所有可生成携带oam的涡旋波天线，模型缺乏普适性。另外，当前模型将散射对涡旋波的影响建模为随机相位，且仅考虑二维传输环境，模型的准确性有待提升。
5.综上所述，当前建立准确、普适的的oam信道模型是非常必要的。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，用以在非直射场景下，建立一准确、普适的面向轨道角动量无线通信的几何随机信道模型。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，所述信道建模方法包括如下步骤：
9.步骤s1、确定环境及天线的基本参数；
10.步骤s2、生成三维时变双簇信道环境，具体包括：簇和散射体的角度参数、距离参数以及功率参数；
11.步骤s3、利用天线方向图表征发射端产生携带oam的涡旋波特殊辐射特性，并引入
表征涡旋波的涡旋相位项；
12.步骤s4、建立时变信道冲激响应，其中，该时变信道冲激响应包括直射分量和非直射分量；
13.步骤s5、根据步骤s4中建立的时变信道冲激响应，计算得到空时频相关性函数。
14.进一步的，所述步骤s1具体包括：
15.采用基于几何随机的信道建模方法，首先确定应用场景，再根据确定的应用场景，确定频段、天线参数和仿真时间；
16.然后依据上述参数，确定信道的大尺度衰落参数，该大尺度衰落参数包括路径损耗和阴影衰落。
17.进一步的，所述步骤s2具体包括：
18.步骤s201、采用双簇信道模型，在该模型中，天线端采用均匀线性阵列，且在三维空间中任意摆放；
19.步骤s202、生成簇的位置，对于发射端簇的生成，其簇的距离、水平角和俯仰角服从以下分布：
[0020][0021][0022][0023]
公式中，为簇的球面坐标，n(μ,σ)表示均值为μ、方差为σ的高斯分布，asa、esa为3gpp标准化文档，中具有空间一致性的大尺度参数中对应的角度扩展值，为发射天线摆放水平角和俯仰角；
[0024]
步骤s203、生成散射体的位置，将簇内散射体分布建模为高斯椭球分布，通过簇水平角扩展σ
as
、簇俯仰角扩展σ
es
以及簇时延扩展σ
ds
描述散射体分布情况，散射体在以簇中心为坐标原点的直角坐标系中，则位于(x
′
,y
′
,z
′
)的分布概率为：
[0025][0026]
步骤s204、推导散射体的功率，具体为依据散射体的分布概率来确定散射体在三维空间的位置则第n个簇中第m个散射体，即第mn条子径对应的传播时延表示为：
[0027][0028]
公式中，公式中，为虚拟链路时延，服从指数分布，在宽平稳和平面波条件下，δ
p
为发射端天线间隔，
为第mn条子径对应的水平(俯仰)离开角，为发射天线摆放水平角和俯仰角，假设发射端天线在xoy平面内运动，则v
t
(t)为发射端天线运动速度，α
t
为运动方向；
[0029]
则簇内子径功率分布表示为：
[0030][0031]
公式中，ds为时延扩展，r
τ
为时延分布比例因子，这两个参数由3gpp标准化文档给出，zn为零均值的高斯随机变量，用于建模每个簇的阴影衰落，ξn(p,q)表示簇功率沿阵列的变化；
[0032]
步骤s205、将簇功率归一化得到：
[0033][0034]
公式中，n
qp
(t)为第p个发射端天线与第q个发射端天线间经过的簇数目，mn(t)为簇内散射体数目。
[0035]
进一步的，在所述步骤s3中，所述天线方向图的表达式为：
[0036][0037]
公式中，θ和φ分别为球坐标系下的水平角和俯仰角，f
[θ]
和f
[φ]
分别为水平角和俯仰角下的两个天线方向图分量；
[0038]
在所述步骤s3中，所述涡旋相位项表示为其中，l
p
为第p个天线携带的轨道角动量模式值，为天线端局部坐标系中的水平离开角；该天线端局部坐标系中的水平离开角由全局坐标系中水平离开角坐标变化求得，具体包括：
[0039]
步骤s301、考虑收发端的移动性，因此全局以及局部坐标系下的水平离开角均具有时变特性，需要实时更新，在非直射场景下，假设第一个天线单元位置为在初始时刻固定其在原点位置，因此，此时第p根发射天线与第一根发射天线间的相对几何位置由表示，具体表达式为：
[0040][0041]
公式中，p为发射端天线标号，δ
p
为发射端天线间的距离，为发射天线摆放水平角和俯仰角；
[0042]
步骤s302、考虑发射天线的运动，速度向量记为v
t
(t)，则时刻t的第p根发射天线对应的位置向量表示为：
[0043][0044]
步骤s303、在非直射场景下，散射体位置由与发射端天线阵列距离水平离开角俯仰离开角决定，因此，在全局坐标系中用向量表示为：
[0045][0046]
因此，散射体与各个发射天线间的相对几何位置表示为：
[0047][0048]
步骤s304、使用r
at
来表示发射天线的局部坐标系与全局坐标系间的旋转矩阵，该旋转矩阵r
at
由轴承角α，下倾角β和倾斜角γ三个旋转角决定，表示为：
[0049][0050]
因此，在局部坐标系中，散射体与各个发射天线间的相对几何位置的表达式为：
[0051][0052]
步骤s305、转化至球面坐标系中，最后得到涡旋相位项中局部坐标系下的水平离开角。
[0053]
进一步的，在所述步骤s4中，所述时变信道冲激响应的表达式为：
[0054][0055]
公式中，kr为莱斯因子，为直射分量，为非直射分量；
[0056]
所述直射分量的表达式为：
[0057][0058]
所述直射分量的表达式为：
[0059][0060]
公式中，{
·
}
t
表示转置，表示发射端第p根天线，表示接收端第q根天线，f
p,v
表示的垂直极化分量，f
q,h
表示的水平极化分量，为直射径的水平到达角，为直射径的俯仰到达角，为直射径的水平离开角，为直射径的俯仰离开角，，是初始相位，服从(0,2π]的随机分布，fc为载频，l
p
为第p个天线携带的轨道角动量模式值,为直射径下局部坐标系中的水平角，为和间直射路径时延；n
qp
(t)为与间路径的簇数目，mn(t)为簇内散射体数目；
[0061]
为第mn条子径对应的水平到达角，为第mn条子径对应的俯仰到达角，为第mn条子径对应的水平离开角，为第mn条子径对应的俯仰离开角，为第mn条子径下局部坐标系中的水平角，为第mn条子径的时延，表示为交叉极化比，μ为衡量联合极化不均衡，为和间第n个簇中第m条散射体的功率，l
p
为天线所用的oam模式值。
[0062]
进一步的，所述步骤s5具体包括：
[0063]
将所述时变信道冲激响应应经傅里叶变换得信道传输函数，表达式为将所述时变信道冲激响应应经傅里叶变换得信道传输函数，表达式为进而空时频相关性函数表示为：
[0064][0065]
公式中，e{
·
}表示求期望，{
·
}
t
表示转置，h
qp
(t,f)为发射端第p根天线与接收端第q根天线间的信道传输函数
[0066]
本发明的有益效果是：
[0067]
本发明可以在信道模型中准确的描述涡旋波，并分析非直射场景下，轨道角动量信道的信道特性。
附图说明
[0068]
图1为实施例1中提供的面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法的流程示意图；
[0069]
图2为实施例1中提供的基于几何随机的三维涡旋波mimo信道模型的示意图；
[0070]
图3为实施例1中提供的空间互相关仿真结果的示意图；
[0071]
图4为实施例1中提供的时间自相关仿真结果的示意图，其中，α＝0,β＝-π/2 θ
max
,γ＝-π，其中θ
max
为使用oam天线场强最大处的俯仰角；
[0072]
图5为实施例1中提供的时间自相关仿真结果的示意图，其中，α＝0,β＝0,γ＝-π/2。
具体实施方式
[0073]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0074]
实施例1
[0075]
参见图1-图5，本实施例提供一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，所述信道建模方法包括如下步骤：
[0076]
步骤1、确定环境及天线的基本参数；
[0077]
具体的说，在本实施例中，模型采用基于几何随机的信道建模(geometry-based stochastic channel model,gbsm)方法，首先确定应用场景为城市宏蜂窝(urban macro,umi)，同时确定基站与用户间距离为200m，系统频率为2.6ghz，收发两端天线间距均为二分之一波长，收发天线阵列的俯仰角为π/2和水平角为0，基站与用户移动速度均为10m/s，运动方向为俯仰角均为0，水平角均为0。发射天线采用环形行波天线，不同发射天线选用不同oam模式值，天线间的oam模式值间隔δl固定，在减小空间相关性的应用中，收发两端不要求共轴传输，因此为实现较长距离通信，将涡旋波辐射强处对准接收端，接收天线采用垂直极化的全向天线。
[0078]
依据上述参数，确定信道的大尺度衰落参数，即路径损耗pl和阴影衰落sf；
[0079]
步骤2、生成三维时变双簇信道环境，具体包括：簇和散射体的角度参数、距离参数以及功率参数；
[0080]
具体的说，在本实施例中，模型采用双簇信道模型，具体信道模型示意图见图2。
[0081]
天线端采用均匀线性阵列，可在三维空间中任意摆放。为简洁考虑，只有第n个簇(n＝1,
…
,n
qp
(t))在图中显示。第n条路径用一对簇表示，即发射端侧的和接收端侧的n
qp
(t)为时刻t第p根发射天线(p＝1,
…
,tx)与第q根接收天线(q＝1,
…
,rx)间的簇数目，mn(t)为簇内包含的射线数目。和间的传播用虚拟链路表示。当虚拟链路的时延设置为0时，双簇模型简化为单簇模型。
[0082]
更具体的说，在本实施例中，生成三维时变双簇信道环境具体包括如下步骤：
[0083]
步骤201、簇位置生成
[0084]
由于收发端具有互易性，以发射端簇生成为例，簇距离、水平角和俯仰角服从以下分布：
[0085][0086]
[0087][0088]
其中，为簇的球面坐标，n(μ,σ)表示均值为μ、方差为σ的高斯分布，asa、esa为3gpp标准信道中具有空间一致性的大尺度参数中对应的角度扩展值，为发射天线摆放水平角和俯仰角。
[0089]
步骤202、散射体位置生成
[0090]
依据大量测量结果，将簇内散射体分布建模为高斯椭球分布，利用簇水平角扩展σ
as
(cluster angular spread,cas)、簇俯仰角扩展σ
es
(cluster elevation spread,ces)、簇时延扩展σ
ds
(cluster delay spread,cds)描述散射体分布情况。
[0091]
散射体在以簇中心为坐标原点的直角坐标系中，位于(x
′
,y
′
,z
′
)的分布概率为
[0092][0093]
步骤203、散射体功率推导
[0094]
依据上式确定散射体在三维空间的位置第n个簇中第m个散射体对应的传播时延可表示为
[0095][0096]
其中，其中，为虚拟链路时延，服从指数分布，在宽平稳和平面波条件下，δ
p
为发射端天线间隔，为发射端天线间隔，为发射端天线间隔，为第mn条子径对应的水平(俯仰)离开角，为发射天线摆放水平角和俯仰角，假设发射端天线在xoy平面内运动，则v
t
(t)为发射端天线运动速度，α
t
为运动方向；
[0097]
簇内子径功率分布可表示为
[0098][0099]
其中，ds为时延扩展，r
τ
为时延分布比例因子，这两个参数由3gpp标准化文档给出。zn为零均值的高斯随机变量，用于建模每个簇的阴影衰落，ξn(p,q)表示簇功率沿阵列的变化。
[0100]
最终，将簇功率归一化得
[0101]
[0102]
其中，n
qp
(t)为第p个发射端天线与第q个发射端天线间经过的簇数目，mn(t)为簇内散射体数目。
[0103]
步骤3、利用天线方向图表征发射端产生携带oam的涡旋波特殊辐射特性，并引入表征涡旋波的涡旋相位项；
[0104]
在本实施例中，步骤3具体包括：
[0105]
步骤301、发射天线天线方向图
[0106]
涡旋波具有特殊辐射特性，在球面坐标中可表征为沿水平角和俯仰角方向的两个分量，且两分量均与水平角和俯仰角相关，表示为
[0107][0108]
公式中，θ和φ分别为球坐标系下的水平角和俯仰角。f
[θ]
和f
[φ]
分别为水平角和俯仰角下的两个天线方向图分量。
[0109]
因此在信道建模时，天线方向图即辐射分布为以水平角和俯仰角为参数的函数，且信道环境也必须考虑三维描述。由步骤1给定的天线参数，计算该天线的辐射分布，在天线方向图中表征体现。
[0110]
步骤302、涡旋相位项
[0111]
文献(analysis and experiments on reflection and refraction oforbital angular momentum waves)证明涡旋波可分解为初始相位不同的平面波叠加，这些平面波的初始相位也称之为涡旋相位项，表示为其中l
p
为第p个天线携带的轨道角动量模式值，为天线端局部坐标系中的水平离开角，即与天线传播轴垂直平面内的角度相关，天线端局部坐标系中的水平离开角由全局坐标系中水平离开角坐标变化求得。由于模型考虑收发端移动性，因此全局(局部)坐标系下的水平离开角具有时变特性，需要实时更新。
[0112]
在非直射场景下，假设第一个天线单元位置为在初始时刻固定其在原点位置，因此，此时第p根发射天线与第一根发射天线间的相对几何位置可由表示为
[0113][0114]
公式中，p为发射端天线标号，δ
p
为发射端天线间的距离为发射天线摆放水平角和俯仰角；
[0115]
考虑发射天线的运动，速度向量记为v
t
(t)，则时刻t的第p根发射天线对应的位置向量可表示为：
[0116]
[0117]
在非直射场景下，散射体位置由与发射端天线阵列距离水平离开角俯仰离开角决定，在全局坐标系中可用向量表示为：
[0118][0119]
因此，散射体与各个发射天线间的相对几何位置可以表示为
[0120][0121]rat
表示发射天线的局部坐标系与全局坐标系间的旋转矩阵，由轴承角α，下倾角β和倾斜角γ三个旋转角决定，表示为：
[0122][0123]
因此局部坐标系中的相对几何位置表示为
[0124][0125]
转化至球面坐标系中，得涡旋相位项中局部坐标系下的水平离开角。
[0126]
直射场景下，由收发天线坐标决定全局坐标系下的水平离开角，具体流程与非直射场景类似。
[0127]
步骤4、建立时变信道冲激响应，其中，该时变信道冲激响应包括直射分量和非直射分量；在本实施例中，时变信道冲激响应的表达式为：
[0128][0129]
公式中，kr为莱斯因子，为直射分量，为非直射分量；
[0130]
所述直射分量的表达式为：
[0131][0132]
所述直射分量的表达式为：
[0133][0134]
公式中，{
·
}
t
表示转置，fc为载频，表示发射端第p根天线，表示接收端第q根天线，f
p(q),v(h)
表示垂直(水平)极化分量，为直射径的水平(俯仰)到达角，为直射径的水平(俯仰)离开角，为直射径下局部坐标系中的水平角，n
qp
(t)为与间路径的簇数目，mn(t)为簇内散射体数目。为第,mn条子径对应的水平(俯仰)到达角，为第,mn条子径对应的水平(俯仰)离开角，为第mn条子径下局部坐标系中的水平角，为第,mn条子径的时延,表示为交叉极化比，μ为衡量联合极化不均衡，具体计算方法考虑3gpp标准化文档；为和间直射路径时延；间直射路径时延；是初始相位，服从(0,2π]的随机分布；为和间第n个簇中第m条子径的功率；l
p
为天线所用的oam模式值。
[0135]
值得注意的是，传播信道模型与天线是独立的，因此该模型框架适用于不同天线。
[0136]
步骤s5、根据步骤s4中建立的时变信道冲激响应，计算得到空时频相关性函数。
[0137]
具体的说，在本实施例中，实现仿真信道模型并进行统计特性分析，主要通过将所述时变信道冲激响应应经傅里叶变换得信道传输函数，表达式为进而空时频相关性函数表示为：
[0138][0139]
公式中，e{
·
}表示求期望，h
qp
(t,f)为发射端第p根天线与接收端第q根天线间的信道传输函数。
[0140]
最后在此基础上，可进一步分析功率时延分布函数、平均时延和时延扩展等。
[0141]
为了验证本实施例提供方法的正确性，因此，进行了实验，具体的说：
[0142]
研究不同oam模式间隔下，发射天线间的空间相关性，结果如图3所示。oam模式值间隔越大，空间互相关性下降得越快，与文献[zhang z,zheng s,cheny,et al.the capacity gain oforbital angular momentumbasedmultiple-input-multiple-output system[j].sci.rep.,2016,6(01):560-567]结果一致，一定程度证明模型的正确性。
[0143]
比较涡旋波天线与全向天线在时间相关性方面对信道的不同影响，仿真结果参照图4和图5。由仿真图可得，仿真模型与仿真结果重合，验证模型的正确性。进一步，观察时间
相关性函数图像，定向天线类似于空间滤波器，对于不同的环境参数，展现不一样的统计特性，例如天线辐射轴方向改变，即旋转角α,β,γ，基于涡旋波天线与全向天线的系统的时间自相关下降快慢不同。图4的轨道角动量系统更能容忍环境的变化，系统相干时间增大；图5可能由于天线阵列运动方向与主瓣中心不一致，导致某些簇不在主瓣范围内，此时天线增益变化幅度增大，系统对环境的变化更敏感，系统相干时间减小。
[0144]
综上所述，本发明建立的oam信道模型是对基于平面波信道模型的扩展，支持所有可产生涡旋波的天线类型，丰富了轨道角动量信道的非直射场景建模方法，仿真的统计特性对oam通信系统设计具有参考价值。
[0145]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。