一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113992290A(43)申请公布日2022.01.28(21)申请号202111261263.4(22)申请日2021.10.28(71)申请人东南大学地址211189江苏省南京市江宁区东南大学路2号(72)发明人王承祥季雯协黄杰杨润若(74)专利代理机构南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)32249代理人唐少群(51)Int.Cl.H04B17/391(2015.01)H04B7/0413(2017.01)G01R29/10(2006.01)权利要求书4页说明书11页附图4页(54)发明名称一种面向轨道角动量无线通信的几何随机信道建模方法(57)摘要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。CN113992290ACN113992290A权利要求书1/4页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：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σAS、簇俯仰角扩展σES以及簇时延扩展σDS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mn条子径对应的传播时延表示为：2CN113992290A权利要求书2/4页公式中，为虚拟链路时延，服从指数分布，在宽平稳和平面波条件下，δp为发射端天线间隔，为第mn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vT(t)为发射端天线运动速度，αT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，rτ为时延分布比例因子，这两个参数由3GPP标准化文档给出，Zn为零均值的高斯随机变量，用于建模每个簇的阴影衰落，ξn(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，Nqp(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，Mn(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，lp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