一种大规模mimo仿真系统的多径信道等效生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用多天线的大规模MMO无线通信系统的仿真技术，尤其涉及 一种大规模MMO仿真系统的多径信道等效生成方法。
【背景技术】
[0002] 随着智能移动终端的普及应用和移动新业务需求的不断发展，移动通信传输速率 需求继续呈指数增长。为满足未来移动通信应用需求，需要深度挖掘利用空间无线资源，大 幅提升无线通信的频谱利用率和功率利用率。采用多天线发送和多天线接收的MIMO无线 传输技术，是提高无线通信频谱和功率效率的基本技术，在过去十余年内一直是无线通信 研宄领域的主流技术之一。受天线数量的限制（例如在3GPP的LTE-A标准中，基站侧最多 可配置8根天线），传统MIMO技术的频谱和功率效率仍然较低。在基站侧配置大规模天线 阵列（数十根以上），以深度挖掘利用空间维度资源，成为未来无线通信的发展趋势之一。
[0003] 在无线通信系统中，为了对传输方案进行性能评估，需要进行仿真验证。在大规模 的传输天线下，同一时频资源上支持传输的用户数增加，信道数据的计算量会随天线规模 大大增长。在仿真过程中，信道生成占用很大一部分时间，尤其是系统级仿真时，需要生成 多个基站对大量用户的空间信道，因而信道生成时间成为首要时间瓶颈。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明通过利用多径信道建模时各 个路径、时间、空间等维度的相关性，提供一种快速高效的大规模MMO仿真系统的多径信 道等效生成方法，减少实际仿真过程中的计算时间和计算空间消耗，最终节省仿真过程中 的计算资源。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种大规模MMO仿真系统的多径信道等效生成方法，包括如下步骤：
[0007] (1)设计每对发射-接收单元的信道相互独立：信道计算中涉及的随机变量预先 生成，并根据这些随机变量生成相应的计算系数；预先内侧随机变量并生成信道原始数据， 能够节省单对发送-接收单元的信道所需的内存资源；
[0008] (2)根据随机变量的值生成信道原始数据：信道原始数据包括每条径上的信道初 始衰落、时间扩展、发送与接收天线扩展和每条可分辨延时径上的频率扩展；
[0009] (3)利用时间扩展对信道原始数据进行更新，得到当前时刻的信道原始数据；利 用时间扩展在仿真时刻变化时更新信道原始数据，以取代用公式进行直接计算，可以加快 计算速度；
[0010] (4)利用发送与接收天线扩展，将信道原始数据转换为空间信道矩阵；利用发送 与接收天线扩展将各个径上的信道衰落转换为空间信道矩阵，以取代用公式进行直接计 算，可以加快计算速度；
[0011] (5)将各条径上的空间信道矩阵合并，形成可分辨延时径上的空间信道矩阵，从而 计算出信道生成器；将计算出的各个径上的信道衰落转换为空间信道矩阵并合并为信道生 成器，使得在需要同时产生多个信道时不必将每个OFDM频点的信道都生成出来，可以节省 仿真中的内存资源；
[0012] (6)利用信道生产器中各个可分辨延时径上的空间信道矩阵和频率扩展，生成相 应各个OFDM频点上的空间信道；利用频率扩展生成相应各个OFDM频点上的空间信道，以取 代用公式进行直接计算，可以加快计算速度。
[0013] 所述发射-接收单元适用于MMO系统，发射端与接收端都可以配备数个或数十个 以上的天线单元，信道计算中涉及的随机变量包括发射端与接收端各个维度的角度扩展、 时延扩展、生成信道上各路径功率分布的随机变量等；通过这些随机变量可以计算出步骤 (2)中信道原始数据，最终得到每个时隙上每个OFDM频点的信道矩阵。
[0014]所述信道初始衰落是在路径损耗、阴影衰落、天线方向性滤波等大尺度衰落作用 下各条径上的信道能量与相位信息；时间扩展指计算信道在用户移动相应位移时各条径上 的信道变化所需的信道参数；发送与接收天线扩展指计算各条径上的发送各个发送天线到 接收天线上的信道矩阵元素所需的信道参数，在ULA天线阵列下为发送天线与接收天线端 各一个，UPA阵列则各需要两个；频率扩展包含延时信息，可以计算每条可分辨延时径上的 信号在OFDM各个频点上的信道衰落。
[0015] 利用时延扩展对信道原始数据进行更新时，相当于用户在给定的时间间隔内移动 了一段距离，各条径上的接收信号产生了相位甚至功率的变化。
[0016] 发送与接收天线扩展可以根据信道初始衰落计算出信道在各对发送-接收单元 上的衰落值，通常情况下发送与接收天线扩展是由天线的空间排布而导致的信号相位乃至 幅度的差异。
[0017] 空间信道矩阵合并时将各个所需合并的径上的能量叠加，由于各条径上的信道在 步骤（1)中随机变量生成后相互独立，因此可以直接相加。空间信道矩阵合并和生成各个 OFDM频点上的空间信道都涉及将各个路径上的信道合并。合并过程可以和利用发送与接收 天线扩展和OFDM扩展生成相应信道矩阵的过程结合，直接将新生成的扩展变量叠加到结 果中，以节省仿真中的内存资源。
[0018] 有益效果：本发明提供的大规模MIMO仿真系统的多径信道等效生成方法，具有如 下优点：
[0019] 1、根据信道特性把信道生成分为随机变量生成并计算信道原始数据和利用信道 原始数据计算信道矩阵在各个频点的值，将复杂的随机变量放在初始化阶段可以大大简化 信道矩阵的计算过程；
[0020] 2、利用多径信道每条径在时间、空间等维度的相关性提取出信道计算所需的扩展 参数，这些参数一般仅为简单的复数，通过简单的复数乘法计算代替复杂的三角函数运算， 以减少生成信道矩阵所需的时间；
[0021] 3、利用多径信道每条径在时间、空间等维度的相关性提取出信道计算所需的扩展 参数，可以进一步减少信道原始数据所的存储空间，从而在系统中可以支持更多的基站和 用户；
[0022] 4、在信道计算过程中，在扩展出更多维度的同时将信道在各条径上的是衰落进行 合并，从而可以用更少的空间计算出信道的在各个OFDM频点上的矩阵，增加程序的可并行 性。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的多径信道等效生成过程示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0025] 以SCM模型为例，仿真中需要生成如下公式所描述的信道：
【主权项】
1. 一种大规模MIMO仿真系统的多径信道等效生成方法，其特征在于；包括如下步骤： (1) 设计每对发射-接收单元的信道相互独立；信道计算中设及的随机变量预先生成， 并根据该些随机变量生成相应的计算系数； (2) 根据随机变量的值生成信道原始数据；信道原始数据包括每条径上的信道初始衰 落、时间扩展、发送与接收天线扩展和每条可分辨延时径上的频率扩展； (3) 利用时间扩展对信道原始数据进行更新，得到当前时刻的信道原始数据； (4) 利用发送与接收天线扩展，将信道原始数据转换为空间信道矩阵； (5) 将各条径上的空间信道矩阵合并，形成可分辨延时径上的空间信道矩阵，从而计算 出信道生成器； (6) 利用信道生产器中各个可分辨延时径上的空间信道矩阵和频率扩展，生成相应各 个(FDM频点上的空间信道。
【专利摘要】本发明公开了一种大规模MIMO仿真系统的多径信道等效生成方法，信道由若干可分辨延时的径叠加而成，每条可分辨延时的径有由若干不可分辨延时的径叠加而成。信道生成过程中利用信道在时间、空间、频率等维度的特征，将这些特征归纳为相应的维度的扩展，并在合适的时机将信道扩展或更新相应维度的衰落，并进行多径的合并，最终生成各个OFDM频点上的空间信道矩阵。本发明能够降低系统的计算时间和存储空间，提高仿真效率。
【IPC分类】H04L5-00
【公开号】CN104601312
【申请号】CN201510013790
【发明人】金石, 沈超, 张苏春, 高西奇
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月12日