一种WINNER信道仿真中的三维极化投影算法

摘要

一种WINNER信道仿真中的三维极化投影算法，其可计算任意天线阵列指向的极化投影，包括如下步骤：（1）依照所述天线放置角度改变天线的指向；（2）依照改变指向后的天线坐标系建立参考坐标系，并在所述坐标系中定义平面AP，用方位角

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，提出一种三维无线传播信道建模中关 于信道参数生成的投影算法，可有效降低生成实际信道参数的所需的 代价。

背景技术

在设计无线系统中，准确理解无线传播环境是非常重要的。一个 能够使我们更好地了解电磁波传输机制的有效信道模型在部署无线 环境时也是不可或缺的。可惜的是，无线传播环境中的传输机制既多 变又复杂。

传统的确定性模型（如射线追踪）都是基于具体场景的。这类模 型虽然比较精确，但是却需要详细的环境数据。相较而言，统计性模 型更加通用且便于进行数学处理，但是却不能解释实际传输环境中的 散射及交叉极化等现象。而且，现有的二维几何随机信道模型（GSCM， 一种统计性模型），其信道的冲击响应是由收发端处的波的传播规律 来描述的。GSCM有很多重要的特性，例如：与实际物理环境的高关 联度、构造与去掉多径分量的易操作性。不过，大多数的GSCM是二 维的，这就意味着他们仅仅使用xy坐标系或者是等效的极坐标系来 构建信道模型。随着无线通信技术的发展，GSCM显然已经不能满足 研究的需要。人们转而把目光投向了三维信道模型，即把来波角和去 波角置于二维平面中，把俯仰角和方位角放在第3个维度中。这种三 维建模理念被3GPP组织应用于构建SCM（空间信道模型）中。WINNER  II组织将3GPP提出的空间信道模型（SCM）扩充为三维的WINNER II 模型。但是，WINNER II模型却未能在使用辐射天线图时深刻剖析极 化投影这一问题。而且特别需要指出的是，WINNER组织也曾为MIMO 系统提出了的三维交叉极化信道，不过该模型却在对每个阵元讨论其 水平极化及垂直极化时，未能清晰的展示出极化投影这一问题。此外， 将任意天线指向添加到信道建模中，对于我们无论是构建信道模型还 是对其进行验证，都是非常必要的。这是因为天线可以部分地解释无 线信道的空间维度。

发明内容

本发明的目的在于针对以上传统三维传播信道建模技术的不足， 提出一种可应用在WINNER信道建模仿真中的基于几何投影的信道参 数生成算法，该算法可使我们更好地理解天线平面与传播平面间的极 化变换。主要贡献在于:(i)合理定义了的天线平面（AP，Antenna  Plane）和传播平面（PP，Propagation Plane）。（ii）针对由于不同 天线阵列指向所造成的辐射方向图的变化，我们采用坐标系旋转的方 法为其建模。（iii）我们所提出的算法可以无缝地嵌入到构建WINNER 信道模型的过程中，而且会兼容原有的框架和参数。

为实现上述目的，本算法的基本步骤如下：

一种WINNER信道仿真中的三维极化投影算法，其可计算天线阵 列指向的极化投影，其特征在于：所述算法包括如下步骤：

（1）依照所述天线放置角度改变天线的指向；

（2）依照改变指向后的天线坐标系建立参考坐标系，并在所述 坐标系中定义平面AP，用方位角及俯仰角θ_v确定一个电磁波的传播 方向，并用所述传播方向的极化向量和定义所述电磁波的传播 平面PP;

（3）通过对参考极化向量E_h和E_v进行极化旋转操作，从而将沿 同极化方向的极化向量E'_h和交叉极化方向的极化向量E'_v表示出来；

（4）在发射端和接收端分别进行极化投影操作,在发射端处，通 过对E'_h和E'_v进行几何投影操作以求得和在接收端处，通过对 和进行几何投影操作以求得E'_h和E'_v。

在上述技术方案的基础上，所述的经过旋转后所得到的任意天线 的放置角度为

在上述技术方案的基础上，所述的E_h、E_v和E'_h、E'_v之间的关系 如下：

$\left(\begin{array}{c}{E_h}^{\prime }\\ {E_v}^{\prime }\end{array}\right)=A_{\alpha }\left(\begin{array}{c}{E}_h\\ E_v\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_h\\ E_v\end{array}\right)$

其中E_h和E_v分别表征沿水平方向和垂直方向的参考极化向量， E'_h和E'_v分别表征沿同极化方向和交叉极化方向的极化向量。

在上述技术方案的基础上，所述的发送端处AP面向PP面作投影， 投影矩阵为：

即，

其中表示电磁波的离开方位角，θ_v表示电磁波的离开俯仰角。

在上述技术方案的基础上，所述的接收端处PP面向AP面做投影， 投影矩阵为：

即，

其中表示电磁波的到达方位角，θ_v表示电磁波的到达俯仰 角。

本发明与现有技术相比具有的优点：

本发明与传统的用于测量电磁波传播特性的暗室测量技术相比， 可以仅仅通过理论上的推导,便可生成用于构建WINNER信道模型中 所需要的关键参数，从而有效地降低获得实际描述信道的特征参数所 需的代价。

本发明可以在通过完全三维化形式的生成信道参数应用到 WINNER信道建模中，有效地扩展了WINNER信道建模算法技术。简化 了建模操作，降低了建模成本，提高了模型的精确度。此外，本发明 的一大特色是：所提出的算法可以进一步通过扩展的立体结构来描绘 三极化天线的极化特征。基于此，希望本算法成为支持业界研究的技 术标准。

附图说明

图1为本发明WINNER信道仿真中的三维极化投影算法以偶极 子天线为例的坐标旋转示意图；

图2是基于天线的坐标系经过旋转后在天线平面形成的初始 坐标示意图。

图3为将初始坐标系进行极化旋转后得到的坐标系示意图；

图4为发射端处，由AP向PP做投影示意图；

图5为接收端处，由PP向AP做投影示意图；

图6为空间中任意放置的天线（偶极子为例）

图7为当倾斜角为（0°、45°、90°）时，半波长偶极子天线的 场方向图。

图8为本发明流程图。

具体实施方式

参见附图1-8，本发明任意天线阵列指向的极化投影算法实现步 骤如下：

步骤1，改变任意天线阵列的指向。为了可以能够准确地表征空 间中任意姿态放置的天线，我们需要进行坐标系的变换。以偶极子天 线为例，我们首先建立三维空间坐标系xyz。当将偶极子天线置于z 轴时，会产生一个角度为θ线性极化。如果我们将置于z轴的偶极子 天线按照角度进行旋转，那么我们就可以通过改变和θ的值 来研究空间中任意姿态下的天线的电磁传播性能。如图1所示，我们 把xyz坐标系称作“基于天线坐标系”，x'y'z'坐标系称作“参考坐标 系”。由xyz坐标系变换到x'y'z'坐标系需要两步，第一步，将xyz坐 标系沿z轴旋转得到过渡坐标系x''y'z，再将过渡坐标系x''y'z沿y' 轴旋转θ得到x'y'z'。直观上可以看出：两个坐标系之间存在着的角度关系。我们设x'y'z'坐标系中波的传播方向角为β'为 天线辐射方向图的模值，β'是的函数。我们可以由经过数学推导得到具体步骤如下：

（a）笛卡尔坐标系xyz中某点的坐标(x,y,z)与球坐标系中 的球坐标的换算关系如下：

（b）设旋转后的笛卡尔坐标系x'y'z'中的坐标为(x',y',z')， (x',y',z')与(x,y,z)变换关系如下：

其中，T为变换矩阵

（c）将旋转后的笛卡尔坐标系x'y'z'中的坐标(x',y',z')，变 换为球坐标换算关系如下：

至此，我们便计算出所需的用于表征电磁波传播方向的

本步骤旨在通过将空间中天线的放置任意化，来研究三维空间中 的任意姿态的天线对信道容量、天线极化等特征的影响。

步骤2，定义AP及PP。经过步骤1后，建立了参考坐标系x'y'z' （该参考坐标系也称为初始坐标系），见图2，（为了便于表示而不至 于引起混淆，将x'y'z'的上表去掉表示为xyz）。在该坐标系中，我们 可使用方位角及俯仰角θ_v（θ_v∈(-90°,90°]）来唯 一确定一个电磁波的传播方向（注：这里我们将改写为 ）。其中，我们定义的PP是由参考极化向量和组成， 且PP垂直于波的传播方向。因此一个到达角为θ_v、离开角为的电 磁波的极化向量就落在平面PP上，并可以由两个相互垂直的极化向 量和表示出来。此外，我们把yz面记作AP（天线阵列所在的 平面），把xy面记作HP（水平面）。为了便于概述，我们仅在线天线 和椭圆天线阵列中讨论我们所提出的算法（实际上，该算法可以应用 到固定天线阵列中）。

步骤3，进行极化旋转。每个天线阵元有同极化分量（co-pol） 和与之垂直的交叉极化分量（cross-pol）。而我们主要关心的是天线 阵元的极化方向的同极化分量（co-pol）。如图3所示，我们用E'_h和 E'_v分别表征沿同极化方向和交叉极化方向的极化向量，用E_h和E_v分 别表征任意天线的沿水平方向和垂直方向的参考极化向量。我们可以 通过E_h、E_v将E'_h、E'_v表示出来，他们之间的关系如下：

$\left(\begin{array}{c}{E_h}^{\prime }\\ {E_v}^{\prime }\end{array}\right)=A_{\alpha }\left(\begin{array}{c}{E}_h\\ E_v\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_h\\ E_v\end{array}\right),$

其中A_α是旋转矩阵。我们通过固定的水平和垂直极化向量来描 述同极化和交叉极化向量的主要目的是使该坐标更具通用性。我们可 以通过仅仅修改A_α中的α的值就可以满足不同姿态天线阵元的要求。 这在配置结构复杂天线阵列时是非常用的。

需要特别指出的是，这里的E_h和E_v是针对天线本身而言的、物 理实际存在的天线极化分量，而E'_h和E'_v则是我们为了进行方便操作 而人为定义的极化分量，是逻辑上的概念。我们所提出的投影算法虽 然仅举了一个天线阵元为例，但是也可以应用带其他的阵元中去（如 面天线等），从而实现算法的无缝高效嵌入。

步骤4，（i）发射端Tx的极化投影。本算法可以通过由AP向PP 做投影变换，从而在通过理论分析便可生成可靠的信道参数。如图4 所示，给定一方位角为俯仰角为θ_v的电磁波。由AP向PP做投影， 实际上就是建立E_h和E_v（红色）与和（蓝色）之间的联系。 由几何投影关系可推出AP与PP之间的投影矩阵为：

即，

(ii)接收端Rx的极化投影。如图5所示，由PP向AP做投影， 同理可由类似的几何投影关系可推出PP与AP之间的投影矩阵为：

即，

算法的验证

计算所得到的收发端极化强度，生成辐射方向图，并与现有的天 线辐射方向图进行对比，以验证该算法的有效性。

我们以空间中任意放置的偶极子天线为例，如图6所示，偶极子 放置于AP，且与z轴的夹角为γ。发端Tx处，半波长偶极子的水平 极化量及垂直极化量可以通过数学推导为：

其中，$\rho =\frac{\cos \left(\frac{\mathrm{\pi \eta }}{2}\right)}{1-{\eta }^2},$将式(i)、(ii)整理可得，（iii）

由（iii）式可以看出，矩阵正好是本算法步 骤4（i）所推导出的投影矩阵F，且$\left(\begin{array}{c}-\sin \gamma \\ \cos \gamma \end{array}\right)$正好是步骤3推导的A_α的右侧（此时α即为γ）。同时，需要指出的是，由于天线收发端的 互易性，上述验证过程同样可验证出步骤4所推导的投影矩阵G同发 端处的投影矩阵F有着类似的作用，也同样可以直接用来计算

基于此，我们有理由相信，使用我们提出的算法，可以准确、有 效地生成出用于计算所需的参数。

为了验证式（i）、（ii）的正确性，我们对分别令倾斜角γ分别 为0°、45°、90°来研究其场方向图，得出的仿真结果如图7所示。可 以看出，无论γ取何值，偶极子天线的场方向图均呈现为一面包圈型 的三维立体图形，这与我们根据对偶极子实测所得出的偶极子天线的 辐射方向图为面包圈型的这一结论基本吻合，可以证明式（i）、（ii） 是正确的，进而可以证明我们所提出的算法的创新性与贡献性。

本发明算法在WINNER信道仿真过程中实现步骤概括如下：

（1）分别建立基于天线坐标系和初始(参考)坐标系，确定相关 的旋转角度极化角γ。

（2）通过使用基于天线坐标系中的水平和垂直极化强度以及本 算法步骤1中的公式（a）-（c），计算出初始坐标系中的球坐标 和

（3）发射端Tx处，

（i）进行极化旋转获得同极化分量E'_h和交叉极化分量E'_v。

（ii）令$\left(\begin{array}{c}{E}_h^{\prime }\\ E_v^{\prime }\end{array}\right)$左乘矩阵F，并对该结果取绝对值，得到Tx处的 水平

及垂直方向上辐射特征：

（4）接收端Rx处,

（i）进行极化旋的逆操作，获得参考极化分量E_h、E_v。

（ii）令$\left(\begin{array}{c}{E}_h\\ E_v\end{array}\right)$右乘矩阵G，并对该结果取绝对值，得到Rx处的 水平及垂直方向上辐射特征：

（5）将上述生成的等参数带入WINNER II信道模型公式中来计算三维信道模 型参数。