用戶設備雙天線信道建模方法
2023-07-15 11:01:11
專利名稱：用戶設備雙天線信道建模方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，具體而言，涉及一種用戶設備雙天線信道建模方法。
背景技術：
目前，3GPP以及Winner採用的信道模型(例如，SCM、SCME)，均是準物理模型，因為該模型中散射體的物理空間位置是不確定的，因此，信道建模方法主要基於空間信道收發兩端所定義散射體的出/入射平面村量波的散射統計信息。其所得到的信道模型雖然理論上可支持任意拓撲結構的天線單元和陣列，但在，在實際應用中，該標準化信道模型所考慮的只是一種理想化的、脫離實際使用的均勻直線天線陣(ULA)模型。以該均勻直線天線陣模型來評價多天線系統性能，則將導致較大偏差，無法滿足LTE和超三代(B3G)無線鏈路性能準確仿真和評估的需要。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種用戶設備雙天線信道建模方法，以至少解決上述問題。
根據本發明的一個方面，提供了一種用戶設備雙天線信道建模方法，該方法包括將包含散射體的用戶設備雙天線電磁系統作為一個包括兩個路埠和一個場埠的三埠網絡，確定場埠到各個路埠的信道傳輸參數；獲取兩個路埠間的S參數以及兩個路埠的負載反射參數；根據信道傳輸參數、場埠的散射參數、源等效電壓，以及場埠與激勵源的反射係數參數，確定場埠與空間信道的耦合係數；根據場埠與空間信道的所述耦合係數、兩個路埠之間的S參數、兩個路埠的負載反射參數以及信道傳輸參數，確定兩個路埠的接收功率；根據兩個路埠的接收功率以及源等效電壓，確定用戶設備雙天線信道模型。
進一步地，確定場埠到各個路埠的信道傳輸參數包括根據近場散射體的散射係數、各個路埠與近場散射體的相互耦合參數、雙天線的電壓增益方向圖，確定場埠到各個路埠的信道傳輸參數。
進一步地，獲取兩個路埠間的S參數包括獲取散射體的散射係數Гσ，以及兩個路埠中第i個路埠與散射體的相互耦合參數Sσi和Siσ，其中，i＝1，2；按照以下公式確定路埠間的S參數Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22 其中，S11、S12、S21和S22為不包含散射體的用戶設備雙天線的兩個路埠之間的S參數。
進一步地，按照以下公式確定場埠與空間信道的耦合係數A0、A1和A2 A0＝(1-sσ33Гg)-1vg A1＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ31 A2＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ32 其中，Sσ13為場埠到兩個路埠中的一個路埠的信道傳輸參數，Sσ23為場埠到另一個路埠的信道傳輸參數，Sσ33為場埠的散射參數，vg為源等效電壓，Гg為場埠與激勵源的反射係數參數。
進一步地，按照以下公式確定兩個路埠的接收功率bσ1和bσ2 其中，aσ1和aσ2為兩個路埠的入射波電壓，Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22為兩個路埠間的S參數。
進一步地，用戶設備雙天線源阻抗匹配，且散射體/用戶設備雙天線的近場耦合效應與散射體/遠場的遮擋效應彼此獨立，則 Гg＝0 A0＝vg，A1＝0，A2＝0； 用戶設備雙天線輸出阻抗與負載阻抗共軛匹配，則當和時， aσ1＝vgSσ13、aσ2＝vgSσ23； 其中，Sσ13為場埠到兩個路埠中的一個路埠的信道傳輸參數，Sσ23為場埠到另一個路埠的信道傳輸參數，A0、A1和A2為場埠與空間信道的耦合係數，vg為源等效電壓，Гg為場埠與激勵源的反射係數參數。
進一步地，按照以下公式確定場埠到兩個路埠的信道傳輸參數Sσ13和Sσ23 其中，
和
為雙天線1和2的電壓增益方向圖，
和
為天線1和2的空間坐標矢量，Φ1(ΩR)、Φ2(ΩR)為雙天線1和2的相位方向圖。ΩR為來波入射角，
為空間極化信道歸一化傳輸係數。
進一步地，按照以下公式確定所述用戶設備雙天線信道模型Hσ 進一步地，上述散射體包括人體。
通過本發明，將含近場散射體(包括人體)信息的UE雙天線電磁系統考慮成為一個由兩個天線路埠和一個天線場埠構成的三埠網絡，並將UE天線近場散射體考慮成為無源逆散射體，該散射體與三埠網絡的三個埠同時相互作用，還將場埠網路建立在位於UE天線遠場的虛球面上，該場埠與無線空間信道發生相互作用，從而使得本發明所得到的模型包含了UE雙天線及其近場散射信道的電磁信息。並且，利用本發明的建模方法，對環境要求低、簡便易行，建模的精度適中。
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中 圖1為本發明實施例中移動終端雙天線電磁仿真的物理模型； 圖2為本發明實施例中模擬圖1的物理模型的三埠網絡示意圖； 圖3為根據本發明實施例的用戶設備雙天線信道建模方法的流程圖； 圖4為本發明實施例中的Fr4 PCB板元件1的結構示意圖； 圖5為實施例移動終端多天線電磁仿真模型； 圖6為實施例移動終端多天線物理參數的結構示意圖； 圖7為天線信道模型的一種三維增益方向結果圖； 圖8為天線信道模型的另一種三維增益方向結果圖。
具體實施例方式 下文中將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
在本發明實施例中，在進行用戶設備雙天線信道建模時，將需要進行建模的物理模型即含近場散射體(包括人體)信息的UE雙天線電磁系統作為一個包括兩個天線路埠和一個天線場埠的三埠網絡；而將UE天線近場散射體作為無源逆散射體，該散射體與三埠網絡的三個埠同時相互作用；並且，將場埠網路建立在位於UE天線遠場的虛球面上，該場埠與無線空間信道發生相互作用。
例如，圖1包含人體的用戶設備雙天線的物理模型，在本發明實施例中，將該物理模型模擬為如圖2所示的三埠網絡，如圖2所示，用散射體模擬圖1中的人體，在圖2中，
為第一路埠的入射波，
為第一路埠的出射波，
為第二路埠的入射波，
為第二路埠的出射波，而
為場埠的入射波，
為場埠的出射波。
圖3為根據本發明實施例的用戶設備雙天線信道建模方法的流程圖，如圖3所示，主要包括以下步驟(步驟S302-步驟S310) 步驟S302，確定場埠到各個路埠的信道傳輸參數； 在具體實施過程中，可以基於近場散射體的散射係數Гσ、天線第i(i＝1，2)路埠與散射體的相互耦合參數Sσi和Siσ以及雙天線的電壓增益方向圖
和
確定含電磁散射體條件下的場路埠傳輸參數(Sσ13和Sσ23)。
步驟S304，獲取兩個路埠間的S參數以及兩個路埠的負載反射參數； 在本發明實施例中，天線路埠間的S參數(Sσ11、Sσ12、Sσ21、Sσ22)，表徵了本地雙天線間的電磁耦合效應，獲取到路埠間的S參數即得到天線互耦模型，聯合雙天線兩個路埠的負載反射參數(Гl1和Гl2)，可以反應出天線的路-路埠(指天線-接收機)的耦合效應，從而得到天線對負載的牽引效應模型。
在具體實施過程中，可以通過測試或電磁計算獲取散射體的散射係數Гσ，以及兩個路埠中第i個路埠與散射體的相互耦合參數Sσi和Siσ，其中，i＝1，2，然後可以按照以下公式確定兩個路埠間的S參數Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22 其中，S11、S12、S21和S22為不包含散射體的用戶設備雙天線的兩個路埠之間的S參數。
步驟S306，根據場路埠間的信道傳輸參數、場埠的散射參數、源等效電壓，以及場埠與激勵源的反射係數參數，確定場埠與空間信道的耦合係數； 根據場埠與空間信道的耦合係數，可以構建UE雙天線對源的推挽效應模型。在本發明實施例中，採用天線場埠到路埠的信道傳輸參數(Sσ13和Sσ23)、場埠散射參數(Sσ33)以及場埠與激勵源(指天線與空間電磁波)反射係數參數(Гg)參量，得到天線場埠與空間信道的耦合關係(A0、A1、A2)，建立起天線場埠對空間電磁信道的推挽效應模型。
具體地，可以通過以下公式得到天線場埠與空間信道的耦合關係(A0、A1、A2) A0＝(1-sσ33Гg)-1vg (2) A1＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ31(3) A2＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ32(4) 步驟S308，根據場埠與空間信道的耦合係數、兩個路埠之間的S參數、兩個路埠的負載反射參數以及場路埠間的信道傳輸參數，確定兩個路埠的接收功率； 在具體實施過程中，兩個路埠的接收功率bσ1和bσ2可以通過以下公式確定 其中，aσ1和aσ2為兩個路埠的入射波電壓，Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22為兩個路埠間的S參數。
在具體應用中，可以將用戶設備雙天線設置為源阻抗匹配(即天線產生的場與空間電磁波在虛球面上匹配)，則有 Гg＝0 (6)， 並且，如果散射體/天線的近場耦合效應與散射體/遠場的遮擋效應彼此獨立，則有 A0＝vg，A1＝0，A2＝0，(7) 在具體應用中，還可以進一步將天線輸出阻抗與負載阻抗設置為共額匹配(即天線輸入阻抗與負載阻抗共額匹配)，則當和時，有aσ1＝vgSσ13、aσ2＝vgSσ23，並且兩個路埠(路埠1和路埠2)接收電壓為 在上述情況下，場路埠間的信道傳輸係數可以通過以下公式確定 其中，
和
為雙天線1和2的電壓增益方向圖，
和
為天線1和2的空間坐標矢量，Φ1(ΩR)、Φ2(ΩR)為雙天線1和2的相位方向圖。ΩR為來波入射角，
為空間極化信道歸一化傳輸係數。
步驟S310，根據兩個路埠的接收功率以及源等效電壓，確定用戶設備雙天線信道模型。
在步驟S310中將建立UE雙天線信道模型，具體地，可以按照以下公式確定UE雙天線信道模型 需要說明的是，上述UE雙天線三埠網路S參數、天線與散射體的耦合參數、天線三維增益參數以及負載、源匹配參數，均可以通過實測或者電磁計算精確得到。
根據本發明實施例提出的含近場散射體信息的UE雙天線信道建模方法，所得到的模型包含了UE雙天線及其近場散射信道的電磁信息。同時，該建模方法對環境要求低、簡便易行，並且，建模的精度適中，可以滿足實際的需求。
下面以圖1所示的移動終端雙天線電磁物理模型為例進行說明。應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
(一)天線模型 A.物理組成 在本發明實施例中，如圖1所示，天線物理模型主要包括以下5個部分 (1)人頭模型0 如圖1所示，人頭模型0是一個沿Z軸向傾斜45度的標準化模型，其介電常數為43.0。
(2)Fr4 PCB板元件1 如圖4所示，Fr4 PCB板元件1為一個長為Lpcb＝63mm、寬為Wpcb＝30mm、厚為Hpcb＝1mm雙面PCB結構，中間為εr＝4.2的Fr4介質。其中PCB左、右上角去掉上下層銅皮Lpcb1＝3mm、寬為Wpcb1＝7mm。
(3)天線元件2 如圖5所示，兩個天線幾何尺寸相同，分別為天線元件2-1和天線元件2-1；它們的間距Want＝16mm，其中lp＝66.0mm，wp＝30.0mm，hp＝2.0mm，ha＝2.0mm，w1＝0.5mm，w2＝1.0mm，w3＝5.0mm，w4＝3.0mm，w5＝6.0mm，l1＝14.0mm，l2＝1.0mm，l3＝16.0mm，l4＝1.0mm，金屬過孔直徑phi＝0.3mm，εr＝4.2. B.各主要組成部分的連接關係 天線元件2安裝在Fr4 PCB板元件1頂部，饋電點位於B區。
如圖6所示，天線元件2與Fr4 PCB板元件1所構成的坐標原點距離人頭模型右耳中心點的最小距離為5mm，沿45度向後腦部傾斜。
(二)電磁性能 通過電磁仿真或者實測，確定UE雙天線含散射體時的有源天線單元三維增益方向圖，圖7為頻率為0.92GHz，phi＝90度，seta極化空間的情況下，通過電磁仿真或實測得到的有源天線單元三維增益方向圖，圖8為頻率為2.0GHz，phi＝90度，seta極化空間的情況下，過電磁仿真或實測得到的有源天線單元三維增益方向圖，根據(13)和(14)式，可以得到兩個路埠的信道傳輸參數(Sσ13和Sσ23)。設計源阻抗匹配，有Гg≈0，並且散射體/天線的近場耦合效應與散射體/遠場的遮擋效應彼此獨立，得到天線場埠與信道的耦合係數A0＝vg，A1≈0，A2≈0； 根據UE雙天線路埠S參數(Sσ11、Sσ12、Sσ21、Sσ22)以及兩個路埠負載反射係數參數(Гl1和Гl2)電磁仿真或者實測值，由(5)確定bσ矩陣如下 (三)雙天線信道模型 為了描述簡單，可假設無線信道為自由空間信道，即其中
為θ方向、φ方向的單位極化矢量，T為矩陣轉置算符，則(9)和(10)可簡化表示為
其中，G1，θ、G1，φ分別為天線1的θ、φ分量的電壓增益方向圖；G2，θ、G2，φ分別為天線2的θ、φ分量的電壓增益方向圖。
本實施例中，由於天線物理結構的對稱性，有G1，θ＝G2，θ，G1，φ＝G2，φ， Φ1，θ＝Φ2，θ，Φ1，φ＝Φ2，φ，從而有Sσ13＝Sσ23，Sσ12＝Sσ21，Sσ11＝Sσ22。
根據場埠與信道的耦合係數(A0)以及場路埠傳輸參數(Sσ13和Sσ23)，即由電磁仿真結果(表1、表2)，代入(13)式、(14)式得到bσ矩陣。將bσ矩陣代入(11)式，得到UE雙天線信道係數矩陣。
以上步驟確定的均是計算雙天線信道模型需要的參數，在本發明實施例對各步執行的順序不加以限定。
需要說明的是，優選實施例假設源阻抗匹配，雖然這裡是以仿真參數為例，但是本發明的方法還可以廣泛地應用於仿真或者測試等任何需要模擬UE雙天線效應的場合。
使用本發明實施例推導出的模型(11)是一個簡單的解析表示式，具有易於編程實現的優點。
從以上的描述中，可以看出，在本發明實施例中，通過將含近場散射體(包括人體)信息的UE雙天線電磁系統考慮成為一個由兩個天線路埠和一個天線場埠構成的三埠網絡，對UE雙天線信道進行建模，使得本發明所得到的模型包含了UE雙天線及其近場散射信道的電磁信息。並且，利用本發明的建模方法，對環境要求低、簡便易行，建模的精度適中。
顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，並且在某些情況下，可以以不同於此處的順序執行所示出或描述的步驟，或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明不限制於任何特定的硬體和軟體結合。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用戶設備雙天線信道建模方法，其特徵在於，將包含散射體的用戶設備雙天線電磁系統作為一個包括兩個路埠和一個場埠的三埠網絡，所述方法包括
確定所述場埠到各個路埠的信道傳輸參數；獲取兩個所述路埠間的S參數以及兩個所述路埠的負載反射參數；
根據所述信道傳輸參數、所述場埠的散射參數、源等效電壓，以及所述場埠與激勵源的反射係數參數，確定所述場埠與空間信道的耦合係數；
根據所述場埠與空間信道的所述耦合係數、兩個所述路埠之間的S參數、兩個所述路埠的負載反射參數以及所述信道傳輸參數，確定兩個所述路埠的接收功率；
根據兩個所述路埠的接收功率以及所述源等效電壓，確定用戶設備雙天線信道模型。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述確定所述場埠到各個路埠的信道傳輸參數包括
根據所述近場散射體的散射係數、各個所述路埠與所述近場散射體的相互耦合參數、雙天線的電壓增益方向圖，確定所述場埠到各個所述路埠的信道傳輸參數。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述獲取兩個所述路埠間的S參數包括
獲取所述散射體的散射係數Гσ，以及兩個所述路埠中第i個路埠與所述散射體的相互耦合參數Sσi和Siσ，其中，i＝1，2；
按照以下公式確定所述路埠間的S參數Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22
其中，S11、S12、S21和S22為不包含散射體的
用戶設備雙天線的兩個路埠之間的S參數。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，按照以下公式確定所述場埠與空間信道的耦合係數A0、A1和A2
A0＝(1-sσ33Гg)-1vg
A1＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ31
A2＝(1-sσ33Гg)-1Гgsσ32
其中，Sσ13為所述場埠到兩個所述路埠中的一個路埠的信道傳輸參數，Sσ23為所述場埠到另一個路埠的信道傳輸參數，Sσ33為所述場埠的散射參數，vg為源等效電壓，Гg為所述場埠與激勵源的反射係數參數。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，按照以下公式確定兩個所述路埠的接收功率bσ1和bσ2
其中，aσ1和aσ2為兩個所述路埠的入射波電壓，Sσ11、Sσ12、Sσ21和Sσ22為兩個所述路埠間的S參數。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述用戶設備雙天線源阻抗匹配，且所述散射體/用戶設備雙天線的近場耦合效應與所述散射體/遠場的遮擋效應彼此獨立，則
Гg＝0
A0＝vg，A1＝0，A2＝0；
所述用戶設備雙天線輸出阻抗與負載阻抗共軛匹配，則當和時，
aσ1＝vgSσ13、aσ2＝vgSσ23；
其中，Sσ13為所述場埠到兩個所述路埠中的一個路埠的信道傳輸參數，Sσ23為所述場埠到另一個路埠的信道傳輸參數，A0、A1和A2為所述場埠與空間信道的耦合係數，vg為源等效電壓，Гg為所述場埠與激勵源的反射係數參數。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，按照以下公式確定所述場埠到兩個所述路埠的信道傳輸參數Sσ13和Sσ23
其中，
和
為雙天線1和2的電壓增益方向圖，
和
為天線1和2的空間坐標矢量，Φ1(ΩR)、Φ2(ΩR)為雙天線1和2的相位方向圖。ΩR為來波入射角，
為空間極化信道歸一化傳輸係數。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，按照以下公式確定所述用戶設備雙天線信道模型Hσ
9.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述散射體包括人體。
全文摘要
本發明公開了一種用戶設備雙天線信道建模方法，該方法包括將包含散射體的用戶設備雙天線電磁系統作為一個包括兩個路埠和一個場埠的三埠網絡，確定場埠到各個路埠的信道傳輸參數；獲取兩個路埠間的S參數以及兩個路埠的負載反射參數；根據信道傳輸參數、場埠的散射參數、源等效電壓，以及場埠與激勵源的反射係數參數，確定場埠與空間信道的耦合係數；根據場埠與空間信道的所述耦合係數、兩個路埠之間的S參數、兩個路埠的負載反射參數以及信道傳輸參數，確定兩個路埠的接收功率；根據兩個路埠的接收功率以及源等效電壓，確定用戶設備雙天線信道模型。
文檔編號H04W16/18GK101808337SQ20101014045
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者彭宏利, 謝玉堂, 黃旭 申請人:中興通訊股份有限公司