应用于空间信道模型的角度参数计算方法及装置

摘要

一种应用于空间信道模型的角度参数计算方法，该方法包括如下步骤：构建多小区网络拓扑结构以及该多小区网络拓扑结构所采用的二维平面坐标系，该多小区网络拓扑结构包括多个小区及与多个小区一一对应的多个基站；其中一个小区为目标小区，其余为干扰小区；对目标小区的主扇区进行用户散播，生成位于该主扇区内的多个移动台；确定每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离；根据每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离计算每一移动台与目标小区其余扇区之间的角度参数；以及根据每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离计算每一移动台与各干扰小区的各扇区之间的角度参数。本发明还涉及一种应用于空间信道模型的角度参数计算装置。

说明书

技术领域

本发明涉及多小区多用户系统中的空间信道建模技术，尤其涉及一种空间信道模型(Spatial Channel Model, SCM)中的相关角度参数计算方法及装置。

背景技术

与简单考虑单个基站向单个用户传输信息的链路级仿真不同，系统级仿真往往包含多个小区/扇区、多个基站以及多个用户。诸如吞吐量及延迟等性能的衡量标准往往是在信道经历多次用户散播以后才能被统计得到。在一次散播的时间里，由于用户的移动，信道会经历快衰落。信道状态信息从用户端反馈回基站，基站根据用户传回的信息利用调度器决定向哪些用户发送数据。

基于射线法的空间信道模型由于更能反映空间信道每次实现的变化特性，常常被应用于系统级仿真之中。与相关矩阵法相比，利用空间信道模型建模信道，其计算量明显减小，且可以较为准确地逼近实际链路成簇的散射环境。

然而，已发布的空间信道模型只给出了链路角度参数的大体范围，并没有相关的计算及设置方法，对于快速并且准确地进行信道建模十分不利。同时，正确设置链路传播的角度参数，寻找并挖掘出这些角度之间的相互关系，对于所使用的空间信道模型的精准性表达至关重要。

发明内容

针对上述问题，有必要提供一种能快速计算空间信道模型相关角度参数的方法。

另外，还有必要提供一种能快速计算空间信道模型相关角度参数的装置。

一种应用于空间信道模型的角度参数计算方法，该方法包括如下步骤：

构建多小区网络拓扑结构以及该多小区网络拓扑结构所采用的二维平面坐标系，该多小区网络拓扑结构包括多个小区及与多个小区一一对应的多个基站；每一小区包括多个扇区，其中一个小区为目标小区，其余为干扰小区，目标小区的其中一个扇区为主扇区；

对目标小区的主扇区进行用户散播，生成位于该主扇区内的多个移动台；

确定每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离；

根据每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离计算每一移动台与目标小区其余扇区之间的角度参数；以及

根据每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离计算每一移动台与各干扰小区的各扇区之间的角度参数。

一种应用于空间信道模型的角度参数计算装置，该装置包括：

构建模块，用于构建多小区网络拓扑结构以及该多小区网络拓扑结构所采用的二维平面坐标系，该多小区网络拓扑结构包括多个小区及与多个小区一一对应的多个基站；每一小区包括多个扇区，其中一个小区为目标小区，其余为干扰小区，目标小区的其中一个扇区为主扇区；

用户散播模块，用于对目标小区的主扇区进行用户散播，生成位于该主扇区内的多个移动台；

参数确定模块，用于确定每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离；

计算模块，用于根据每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离计算每一移动台与目标小区其余扇区之间的角度参数，以及用于根据每一移动台与该主扇区之间的角度参数及距离计算每一移动台与各干扰小区的各扇区之间的角度参数。

相较于现有的空间信道模型只给出链路参数参数的大体范围，所述的空间信道模型的角度参数计算方法及装置可快速完成散播的各个移动台与各小区的各扇区之间的相关参数计算，从而更加准确地反应空间信道模型所要表达的具体角度关系，极大地方便了空间信道建模设计。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式的角度参数计算装置的功能模块图。

图2为图1所示角度参数计算装置的网络拓扑结构图。

图3为图1所示角度参数计算装置所采用的二维平面坐标系及各角度参数示意图。

图4为本发明较佳实施方式的角度参数计算方法的流程图。

主要元件符号说明

角度参数计算装置10构建模块11用户散播模块13参数确定模块15计算模块17基站BS移动台MS目标小区1干扰小区2、3扇区A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3定向天线AT1全向天线AT2

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

本发明较佳实施方式的角度参数计算方法及装置应用于一系统级仿真软件，该系统级仿真软件用于构建通信系统的空间信道模型。

请参阅图1，本发明较佳实施方式的角度参数计算装置10包括构建模块11、用户散播模块13、参数确定模块15以及计算模块17。

请参阅图2，所述构建模块11用于构建所述空间信道模型所使用的多小区网络拓扑结构以及该多小区网络拓扑结构所采用的二维平面坐标系。在本实施方式中，以所述多小区网络拓扑结构包括三个相邻的六边形蜂窝小区为例对本发明进行说明。每一小区对应一基站BS(如图3所示)，每一小区的基站BS位于该小区的中心。其中，三个小区分别为目标小区1、干扰小区2以及干扰小区3。在本实施方式中，为方便起见，在所述二维平面坐标系中，目标小区1的二维平面坐标固定取原点（0, 0）；并取y轴的正半轴指向为绝对参考方向，即北极方向，在图2及图4中以大写字母N表示。每个小区划分为相等的三个扇区，例如，在所述二维平面坐标系中，每一小区按照A(-30^o, 90^o)、B(90^o, 210^o)以及C(210^o, -30^o)划分为三个扇区。其中，目标小区1包括扇区A1、扇区B1及扇区C1；干扰小区2包括扇区A2、扇区B2以及扇区C2；干扰小区3包括扇区A3、扇区B3以及扇区C3。

每一小区的基站BS对应每一扇区设置多根定向天线AT1，例如，设置四至八根定向天线。多根定向天线AT1等间隔设置从而构成一天线阵列。例如，在图2中，目标小区1的扇区A1设置了四根定向天线AT1，四根定向天线AT1构成的天线阵列的法线方向，即图2中箭头AR所指方向以及图3中虚线L1所指方向，即为四根定向天线AT1的辐射方向。在本实施方式中，每一定向天线AT1的辐射角度为120度。采用定向天线AT1实现小区扇区化的主要好处在于大幅度提升系统容量的同时尽可能地减少相邻扇区之间的相互干扰。

用户散播模块13用于对目标小区1的主扇区进行用户散播，以随机生成可利用的角度参数以及各个用户到基站BS的距离。在本实施方式中，用户散播模块13可以任意指定目标小区1的其中一个扇区为主扇区，例如，指定扇区A1为主扇区。用户散播是指构建多个与该目标小区1进行通信并位于该主扇区A1内的多个用户，即移动台MS（如图3所示）。在本实施方式中，以其中一个移动台MS为例对本发明进行说明。移动台MS包括多根全向天线AT2。多根全向天线AT2等间隔设置从而构成一天线阵列，图3中虚线L2所指方向为移动台MS的天线阵列的法线方向。用户散播模块13所生成的各角度参数及其定义如下，其中，下标BS代表基站；MS代表用户，即移动台。

第一角度参数                                               ：绝对参考方向（y轴）到扇区天线阵列法线方向的夹角。由第一角度参数的定义可以看出，第一角度参数伴随扇区天线的辐射方向的改变而发生改变，因此朝不同方向辐射的扇区第一角度参数的值不同。因此，对于本实施方式的六个扇区A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3分别有：,,,,,,,,且满足，，。

第二角度参数：扇区天线阵列法线方向到视距离开角方向的夹角。其中，视距离开角方向为基站BS与移动台MS之间传输信号的直射路径方向（Line of sight, LoS），即基站BS天线阵列中心与移动台MS天线阵列中心的连线方向；从基站BS的角度看发出的信号，视为离开，即为视距离开角方向，如图2中的虚线L3表示扇区A1的视距离开角方向。

不同扇区的天线阵列法线方向不同，主扇区散播的用户到不同小区的直射路径也不同。因此，不同扇区与同一移动台MS之间的第二角度参数也不同。因此，对于本实施方式的六个扇区A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3分别有：,,,,,,,,。

全局角度参数：绝对参考方向(y轴)到移动台MS天线阵列法线方向的夹角。全局角度参数为全局角度参数，其仅与移动台MS自身的天线阵列法线方向相关，因此，不同扇区与同一移动台MS之间的全局角度参数均相同。

第三角度参数：移动台MS天线阵列法线方向到视距到达角方向的夹角。其中，视距到达角方向同样为信号的直射路径方向（Line of sight, LoS），即基站BS天线阵列中心与移动台MS天线阵列中心的连线方向；从移动台MS的角度看基站BS送达的信号，视为到达，即为视距到达角方向，如图2中的虚线L3还表示移动台MS的视距到达角方向。每一移动台MS与同一小区的不同扇区之间的视距到达角方向相同。第三角度参数仅仅与基站BS到移动台MS的直射路径相关，因此，同一小区内不同扇区与同一移动台之间的第三角度参数相同，而不同小区与同一移动台之间的第三角度参数不同。因此，相对于三个小区1，2，3分别有：，，。

方位角：x轴到视距离开角方向的夹角。方位角仅仅与基站BS到移动台MS的直射路径相关，因此，同一小区内不同扇区与同一移动台之间的方位角相同，而不同小区与同一移动台之间的方位角不同。因此，相对于三个小区1，2，3分别有：，，。

在所述二维平面坐标系中，按照角度顺时针取负值，逆时针取正值的原则，存在如下角度关系：

（公式一）

（公式二）

参数确定模块15用于根据所述二维平面坐标系及网络拓扑结构确定所有扇区的第一角度参数，以及根据用户散播模块13散播的各个移动台MS确定主扇区A1与每一移动台MS的第二角度参数、主扇区A1与每一移动台MS之间的第三角度参数、以及各个移动台MS到主扇区A1对应的基站BS的距离d1。也就是说，随着所述二维平面坐标系及网络拓扑结构的确定，所有扇区的第一角度参数则相应的确定。另外，随着各个移动台MS的散播，各个移动台MS确定主扇区A1与每一移动台MS的第二角度参数、主扇区A1与每一移动台MS之间的第三角度参数、以及各个移动台MS到主扇区A1对应的基站BS的距离d1则已相应确定，或者说，用户散播模块13可以随机生成上述的第二角度参数、第三角度参数以及距离d，并根据这些参数值相应设置各个移动台MS的散播位置。

在本实施例的二维平面坐标系级网络拓扑结构中，各个扇区的第一角度参数如下：

，，；

，，；

，，。

由于扇区的划分，在散播的各个移动台MS中，第二角度参数在(-60^o, 60^o)之间均匀分布，第三角度参数在(-180^o, 180^o)之间均匀分布。按照现有标准的小区规划，扇区内散播的用户到基站之间的距离d1在（35, 500）米之间均匀分布。

计算模块17用于根据主扇区A1与各移动台MS之间的第一角度参数、第二角度参数以及公式一计算各移动台MS相对于目标小区1的方位角，以及根据该方位角、目标小区1的二维坐标以及每一移动台MS相对于目标小区1的基站BS的距离d1计算各移动台MS的二维坐标。其中，每一移动台MS相对于目标小区1的方位角，每一移动台MS的二维坐标为。

计算模块17还用于计算目标小区1的扇区B1、C1与目标小区1的主扇区A1的散播的各移动台MS之间的第二角度参数。具体地，计算模块17根据每一移动台MS相对于目标小区1的方位角、扇区B1与每一移动台MS之间的第一角度参数以及公式一，计算扇区B1与每一移动台MS之间的第二角度参数；计算模块17根据每一移动台MS相对于目标小区1的方位角、扇区C1与每一移动台MS之间的第一角度参数以及公式一，计算扇区C1与每一移动台MS之间的第二角度参数。

计算模块17还用于计算干扰小区2、3各个扇区与目标小区1主扇区A1散播的移动台MS之间的第二角度参数、全局角度参数、第三角度参数以及方位角。

具体地，计算模块17首先根据每一移动台MS相对于目标小区1的方位角、每一移动台MS相对于目标小区1的第三角度参数以及公式二计算每一移动台MS的全局角度参数，其中，。由于在所述二维平面坐标系中，干扰小区2及干扰小区3的位置坐标均为已知的，因此计算模块17再根据干扰小区2的位置以及每一移动台MS的位置坐标，可计算出每一移动台MS与干扰小区2的基站之间的距离d2，如此，根据即可计算出每一移动台MS相对于干扰小区2的方位角。随后，即可根据如下公式计算出干扰小区2的各扇区与每一移动台MS的第二角度参数,,以及每一移动台MS相对于干扰小区2的第三角度参数：

计算模块17采用相同的方法即可计算出每一移动台MS与干扰小区3的基站之间的距离d3、每一移动台MS相对于干扰小区3的方位角、干扰小区3的各扇区与每一移动台MS的第二角度参数,,以及每一移动台MS相对于干扰小区3的第三角度参数：

请参阅图4，本发明较佳实施方式的空间信道模型的角度参数计算方法包括如下步骤：

步骤S1：构建一多小区网络拓扑结构以及该多小区网络拓扑结构所采用的二维平面坐标系。其中，该多小区网络拓扑结构包括多个小区，每一小区包括多个扇区，每一小区对应一基站。其中一个小区为目标小区，其余为干扰小区。目标小区的其中一个扇区为主扇区。在本实施方式中，该多小区网络拓扑结构包括三个小区，分别为目标小区1、干扰小区2及干扰小区3。目标小区1包括扇区A1、扇区B1及扇区C1；干扰小区2包括扇区A2、扇区B2以及扇区C2；干扰小区3包括扇区A3、扇区B3以及扇区C3。扇区A1为目标小区1的主扇区。

步骤S2：根据建立的网络拓扑结构及二维平面坐标系确定所有扇区的第一角度参数。在本实施方式中，6个扇区的第一角度参数分别为：,,,,,,,,。

步骤S3：对目标小区1的主扇区A1进行用户散播，生成多个位于该主扇区A1内的移动台MS。

步骤S4：根据生成的各个移动台MS，确定主扇区A1与每一移动台MS的第二角度参数、主扇区A1与每一移动台MS之间的第三角度参数、以及各个移动台MS到主扇区A1对应的基站BS的距离d1。

步骤S5：计算各移动台MS相对于目标小区1的方位角以及各移动台MS的二维坐标。具体地，根据主扇区A1与各移动台MS之间的第一角度参数、第二角度参数以及公式一计算各移动台MS相对于目标小区1的方位角，以及根据该方位角及每一移动台MS相对于目标小区1的基站BS的距离d1计算各移动台MS的二维坐标。

步骤S6：计算目标小区1的其他扇区B1、C1与目标小区主扇区A1的散播的各移动台MS之间的第二角度参数。具体地，根据每一移动台MS相对于目标小区1的方位角、扇区B1与每一移动台MS之间的第一角度参数以及公式一，计算扇区B1与每一移动台MS之间的第二角度参数；再根据每一移动台MS相对于目标小区1的方位角、扇区C1与每一移动台MS之间的第一角度参数以及公式一，计算扇区C1与每一移动台MS之间的第二角度参数。

步骤S7：计算干扰小区2、3各个扇区与目标小区1主扇区A1散播的移动台MS之间的第二角度参数、全局角度参数、第三角度参数以及方位角。具体地，首先根据每一移动台MS相对于目标小区1的方位角、每一移动台MS相对于目标小区1的第三角度参数以及公式二计算每一移动台MS的全局角度参数，其中，。由于在所述二维平面坐标系中，干扰小区2及干扰小区3的位置坐标均为已知的，因此再根据干扰小区2的位置以及每一移动台MS的位置坐标，可计算出每一移动台MS与干扰小区2的基站之间的距离d2，如此，根据即可计算出每一移动台MS相对于干扰小区2的方位角。随后，即可根据如下公式计算出干扰小区2的各扇区与每一移动台MS的第二角度参数,,以及每一移动台MS相对于干扰小区2的第三角度参数：

再采用相同的方法计算出每一移动台MS与干扰小区3的基站之间的距离d3、每一移动台MS相对于干扰小区3的方位角、干扰小区3的各扇区与每一移动台MS的第二角度参数,,以及每一移动台MS相对于干扰小区3的第三角度参数：

相较于现有的空间信道模型只给出链路角度参数的大体范围，所述的空间信道模型的角度参数计算方法及装置可快速完成散播的各个移动台MS与各小区的各扇区之间的相关角度参数计算，从而更加准确地反应空间信道模型所要表达的具体角度关系，极大地方便了空间信道建模设计。