CHANNEL ANALYSIS MODEL OF MIMO SYSTEM, CHANNEL MODELING METHOD OF MIMO SYSTEM, AND COMPUTER READABLE STORAGE MEDIUM

本申请要求于2017年8月16日提交的题为“一种MIMO信道分析模型、建模方法及计算机可读存储介质”的中国专利申请NO.201710701526.6的优先权，该中国专利申请的内容以引用方式全文合并与此。

技术领域

本公开涉及但不限于通信技术领域，尤其涉及MIMO系统信道分析模型、MIMO系统信道建模方法及计算机可读存储介质。

现代通信系统依赖发射机和/或接收机处的多个天线来增强链路性能。这类技术称为多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技术，其通过采用空间编码和/或空间解码来利用空间维度。大规模MIMO技术是目前通信系统的一个重要的研究和发展方向，是5G无线通信系统中备受关注的技术之一，其有望实现高性能增益，该性能增益提供以较高的数据速率和较好的可靠性容纳较多的用户的同时消耗较少的功率的能力。大规模MIMO系统在基站侧使用大量的天线，通过使用预编码技术将能量聚集到目标移动用户来减少给定信道中的功率，即，通过将无线能量指向特定用户，减小信道中的功率，同时减小对其他用户的干扰。

对大规模MIMO系统进行信道建模对设计大规模MIMO系统有着重要的意义，同时，提高大规模MIMO系统的信道模型与实际的大规模MIMO系统的符合程度对提高大规模MIMO系统的性能十分重要。

公开内容

本公开提供一种MIMO系统信道分析模型，包括天线部件和分析模块，所述天线部件包括由多个发射天线阵元组成的发射天线阵列和由多个接收天线阵元组成的接收天线阵列，所述分析模块配置为根据所述发射天线阵元之间的相关性、所述接收天线阵元之间的相关性、和从所述发射天线阵列到所述接收天线阵列的信道矩阵，建立MIMO系统的信道模型。

本公开提供一种利用上述的MIMO系统信道分析模型的MIMO系统信道建模方法，包括：根据所述MIMO系统信道分析模型的发射天线阵列中的发射天线阵元之间的相关性、所述MIMO系统信道分析模型的接收天线阵列中的接收天线阵元之间的相关性、和从所述MIMO系统信道分析模型的发射天线阵列到所述MIMO系统信道分析模型的接收天线阵列的信道矩阵，建立MIMO系统的信道模型。

本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被执行来实现如上所述的MIMO系统信道建模方法。

图1为本公开的实施例的MIMO系统信道分析模型的示意图；

图2为本公开的实施例中相邻的任意两列天线阵元错开排列的示意图；

图3为本公开的实施例中通过HFSS软件建立的MIMO系统的天线阵列模型的示意图；以及

图4为本公开的实施例的MIMO系统信道建模方法的流程图。

下面将结合附图，对本公开的实施例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公开的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本公开的保护范围。

图1示出了本公开的实施例的MIMO系统信道分析模型的示意图。如图1所示，所述MIMO系统信道分析模型包括天线部件101、信号模拟模块102、信号接收模块103和分析模块104。所述天线部件101包括由多个发射天线阵元组成的发射天线阵列1011和由多个接收天线阵元组成的接收天线阵列1012。所述信号模拟模块102配置为通过所述发射天线阵列发送无线电信号。所述信号接收模块103配置为通过所述接收天线阵列接收无线电信号。所述分析模块104配置为根据所述发射天线阵元之间的相关性、所述接收天线阵元之间的相关性、和从所述发射天线阵列到所述接收天线阵列的信道矩阵，建立MIMO系统的信道模型。

在本公开的实施例中，结合了所述发射天线阵列和所述接收天线阵列所引入的各路无线电信号之间的相关性及在自由空间传播期间各路无线电信号之间的相关性建立MIMO系统的信道模型，所获得的MIMO系统的信道模型更加符合实际的大规模MIMO系统的信道情况。利用本公开的实施例的MIMO系统信道分析模型所建立的MIMO系统的信道模型，能够基于无线电信号在MIMO系统的发射天线阵列内、在空间中、以及在MIMO系统的接收天线阵列内的传播特征，来设计MIMO系统的发射天线阵列和接收天线阵列。例如，可根据需要调整MIMO系统的发射天线阵列内的发射天线阵元的排布方式以及接收天线阵列内的接收天线阵元的排布方式，来优化MIMO系统的设计，以提高MIMO系统的性能。

在本公开的实施例中，所述发射天线阵元之间的相关性和所述接收天线阵元之间的相关性与以下至少一项相关：发射天线阵元之间的耦合度、接收天线阵元之间的耦合度、发射天线阵元的驻波系数、接收天线阵元的驻波系数、发射天线阵元之间的辐射特性、接收天线阵元之间的辐射特性、发射天线阵元之间的隔离度、接收天线阵元之间的隔离度、发射天线阵元的端口发射情况、接收天线阵元的端口反射情况、发射天线阵元之间的回波损耗、接收天线阵元之间的回波损耗等。

通过实际试验对比证明，考虑接收天线阵元之间的相关性以及 发射天线之间的相关性来建立MIMO系统的信道模型，与不考虑接收天线阵元之间的相关性和发射天线阵元之间的相关性来建立MIMO系统的信道模型相比，所得的MIMO系统的信道模型所体现的无线电信号的传播特征存在着明显的不同，而实际的MIMO系统中，发射天线阵元之间存在相关性以及接收天线阵元之间存在相关性，在建立MIMO系统的信道模型时考虑这些相关性信息能够提高所得的MIMO系统的信道模型所体现的无线电信号的传播特征与实际的无线电信号的传播特征之间的接近程度。

在本公开的实施例中，所述接收天线阵元之间的相关性可包括接收天线阵列的输入向量和输出向量之间的矩阵T_r，所述发射天线阵元之间的相关性可包括发射天线阵列的输入向量和输出向量之间的矩阵T_e，所述MIMO系统的信道模型表达式可以为：H’_p＝T_rH_pT_e，H_p表示表示从所述发射天线阵列到所述接收天线阵列的第p条路径相关联的下行链路物理信道矩阵。

在本公开的实施例中，所述H_p的计算公式可以为： a_p表示第p条路径的衰减因子，d_p是表示第p条路径的发射天线阵元和接收天线阵元之间的距离，λ_c表示载波波长，e_r(θ_p)是满足||e_r(θ_p)||₂＝1的到达所述接收天线阵列的无线电信号的到达角θ_p对应的接收天线阵列响应矢量， 表示满足 的所述发射天线阵列发送的无线电信号的离开角 对应的发射天线阵列响应矢量。

作为示例，可采用MATLAB(Matrix Laboratory，矩阵实验室)软件或Ansoft公司的HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真)三维电磁场仿真软件对MIMO系统信道分析模型的天线阵列进行仿真，以获得发射天线阵列的辐射特性、接收天线阵列的辐射特性、发射天线阵元之间的耦合度和/或接收天线阵元之间的耦合度。

在本公开的实施例中，所述MIMO系统信道分析模型的天线部件还可包括PCB印刷电路板，所述发射天线阵元和所述接收天线阵元为贴片天线阵元，所述贴片天线阵元设置于所述PCB印刷电路板上并有序排列。

在本公开的实施例中，将所述天线部件设置于PCB印刷电路板上，成本低廉，体积小，易于安装使用，同时能够有效起到安装天线阵元并固定天线阵元之间的排列位置的作用。

在本公开的实施例中，所述天线部件还可包括信号收发组件，所述信号模拟模块可包括激励信号发生单元，所述激励信号发生单元配置为例如经由同轴线接口向所述PCB印刷电路板上的发射天线阵列馈电，使得接入所述发射天线阵列的各发射天线阵元的激励信号相互独立。

在本公开的实施例中，所述激励信号发生单元经过所述PCB印刷电路板的背面，利用所述天线部件的信号收发(TR)组件向所述发射天线阵列进行馈电。通过所述馈电的操作，发射天线阵列获得输入信号，然后产生无线电信号，向发射天线阵列以外的空间辐射。

输入信号在所述发射天线阵列的发射天线阵元之间传播时，会产生一定的耦合，从而使得输入信号具有一定的相关性，本公开的实施例在建立MIMO系统的信道模型时，考虑了输入信号在发射天线阵元之间传播时的相关性，优化了MIMO系统的信道模型，有助于对MIMO系统的信道进行准确的分析和测试，从而能够对MIMO系统的设计进行优化。

此外，所述接收天线阵列接收无线电信号后，无线电信号在所述接收天线阵元之间传播时，会产生一定的耦合(即，相关性)，本公开的实施例在建立MIMO系统的信道模型时，考虑了无线电信号在接收天线阵元之间传播时的相关性，优化了MIMO系统的信道模型，有助于对MIMO系统的信道进行准确的分析和测试，从而能够对MIMO系统的设计进行优化。

在本公开的实施例中，所述信号模拟模块还可包括波束控制单元，所述波束控制单元配置为控制所述激励信号的波形参数，以对所述无线电信号进行波束赋形，例如，通过调整发射天线阵列中每个发射天线阵元的加权系数来产生具有指向性的波束。

作为示例，可将发射天线阵列中的发射天线阵元和接收天线阵列中的接收天线阵元进行划分，分别形成发射天线子阵列、接收天线 子阵列，对输入发射天线阵列的激励信号进行波束赋形，使得发射天线子阵列发出的无线电信号指向特定用户，从而能够获得明显的阵列增益。

在本公开的实施例中，所述发射天线阵列中相邻的任意两列所述发射天线阵元在行方向上可错开排列。

在本公开的实施例中，所述接收天线阵列中相邻的任意两列所述接收天线阵元在行方向上可错开排列。

也就是说，相邻的任意两列所述发射天线阵元可错开排列，相邻的任意两列所述接收天线阵元可错开排列，图2示出了排列方式的示例。图2所以的天线阵元201可以为发射天线阵元或接收天线阵元。

图3示出了通过HFSS软件建立的MIMO系统的天线阵列模型的示意图。如图3所示，所述天线阵列模型可以为发射天线阵列模型或接收天线阵列模型，所示天线阵元301可以是发射天线阵元或接收天线阵元。

本公开的实施例还提供一种利用本公开的实施例的MIMO系统信道分析模型的MIMO系统信道建模方法。如图4所示，所述MIMO系统信道建模方法可包括步骤401至403。

步骤401，通过所述MIMO系统信道分析模型的发射天线阵列发送无线电信号。

步骤402，通过所述MIMO系统信道分析模型的接收天线阵列接收所述无线电信号。

步骤403，根据所述MIMO系统信道分析模型的发射天线阵列中的发射天线阵元之间的相关性、所述MIMO系统信道分析模型的接收天线阵列中的接收天线阵元之间的相关性、和从所述MIMO系统信道分析模型的发射天线阵列到所述MIMO系统信道分析模型的接收天线阵列的信道矩阵，建立MIMO系统的信道模型。

从上面所述可以看出，本公开的实施例提供的MIMO系统信道建模方法，采用本公开的实施例提供的MIMO系统信道分析模型，在建立MIMO系统的信道模型时，结合了无线电信号在发射天线阵列内、在空间中、以及在接收天线阵列内的传播特征，使得所得到的MIMO 系统的信道模型与实际的MIMO系统的信道更接近。

在本公开的实施例中，所述接收天线阵元之间的相关性可包括所述接收天线阵列的输入向量和输出向量之间的矩阵T_r，所述发射天线阵元之间的相关性可包括所述发射天线阵列的输入向量和输出向量之间的矩阵T_e，所述MIMO系统的信道模型表达式可以为：H’_p＝T_rH_pT_e，H_p表示从所述发射天线阵列到所述接收天线阵列的第p条路径相关联的信道矩阵。

在本公开的实施例中，所述H_p的计算公式可以为： a_p表示第p条路径的衰减因子，d_p表示第p条路径的发射天线阵元和接收天线阵元之间的距离，λ_c表示载波波长，e_r(θ_p)表示满足||e_r(θ_p)||₂＝1的到达所述接收天线阵列的无线电信号的到达角θ_p对应的接收天线阵列响应矢量， 表示满足 的所述发射天线阵列发送的无线电信号的离开角 对应的发射天线阵列响应矢量。

本公开的实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被例如计算机执行来实现如本公开的实施例所述的MIMO系统信道建模方法。

通过实现本公开的实施例提供的MIMO系统信道建模方法，在建立MIMO系统的信道模型时，结合了无线电信号在发射天线阵列内、在空间中以及在接收天线阵列内的传播特征，使得所得到的MIMO系统的信道模型与实际的MIMO系统的信道更接近。

需要说明的是，本公开所提及的“模块”、“单元”可通过软件、硬件或其结合实现，所述硬件例如可以为处理器、集成电路等。

此外，需要说明的是，根据需要，本公开所提及的“行”和“列”可互换。

应当理解，所描述的本公开的实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以任意组合。

显然，本领域的技术人员可以对本公开的实施例进行各种修改和变型而不脱离本公开的范围。这些修改和变型属于本公开的保护范围。