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

技术特征：
1.一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述信道建模方法包括如下步骤：步骤s1、确定环境及天线的基本参数；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：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；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。3.根据权利要求2所述的一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：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；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：下分布：下分布：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；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：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m
n
条子径对应的传播时延表示为：
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，发射端天线间隔，发射端天线间隔，为第m
n
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；则簇内子径功率分布表示为：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，z
n
为零均值的高斯随机变量，用于建模每个簇的阴影衰落，ξ
n
(p，q)表示簇功率沿阵列的变化；步骤s205、将簇功率归一化得到：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，m
n
(t)为簇内散射体数目。4.根据权利要求3所述的一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，其特征在于，在所述步骤s3中，所述天线方向图的表达式为：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；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：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：
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；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：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：因此，散射体与各个发射天线间的相对几何位置表示为：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：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：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。5.根据权利要求4所述的一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，其特征在于，在所述步骤s4中，所述时变信道冲激响应的表达式为：公式中，k
r
为莱斯因子，为直射分量，为非直射分量；所述直射分量的表达式为：所述直射分量的表达式为：
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，f
c
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，m
n
(t)为簇内散射体数目；为第m
n
条子径对应的水平到达角，为第m
n
条子径对应的俯仰到达角，为第m
n
条子径对应的水平离开角，为第m
n
条子径对应的俯仰离开角，为第m
n
条子径下局部坐标系中的水平角，为第m
n
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。6.根据权利要求5所述的一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括：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：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。

技术总结
本发明公开了一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法，包括：确定环境及天线等基本参数；生成三维时变双簇信道环境，即簇的数目、距离和角度分布等，推导簇内散射体位置分布、散射体功率分布等信道参数；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；建立时变信道冲激响应；实现仿真信道模型，分析信道统计特性。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。系统设计具有参考价值。系统设计具有参考价值。


技术研发人员：王承祥 季雯协 黄杰 杨润若
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2021.10.28
技术公布日：2022/1/28