1.一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,包括:S1:建立表征工业物联网信道的CIR系统模型,其中,所述CIR系统模型包括确定性分量和随机性分量,所述确定性分量包括LOS、GR和DR分量,所述随机性分量包括NLOS非视距分量;
S2:基于工业信道的大设备、高密集特性,对所述LOS、GR和DR分量进行建模,获得确定性分量模型,其中,所述确定性分量模型包括反射路径的角度、时延和功率;
S3:基于工业信道的富散射特,采用双跳传播机制将发射机和接收机之间的散射环境建模为簇,对所述NLOS分量进行建模,获得簇的模型,其中,所述簇的模型包括簇及簇内射线角度、时延和功率;
S4:基于工业信道时间‑空间非平稳特性,依据所述簇的模型,获取簇在时间‑阵列轴上的幸存概率,根据所述幸存概率生成t+Δt时刻Tx侧和Rx侧天线的可见簇的平均数量,根据所述可见簇的平均数量对t+Δt时刻Tx和Rx侧天线观测到的簇进行角度、功率、时延参数的更新,其中,所述t+Δt时刻Tx和Rx侧天线观测到的簇包括幸存簇和新生簇。
2.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述S1中,工业物联网的信道冲激响应由MR×MT矩阵 表示;其中,hqp(t,τ)是t时刻 与 之间的冲激响应, 为接收机的天线q, 为发射机的天线p,MR、MT分别是接收机侧和发射机侧的天线数量,则所述系统模型的冲激响应可以计算为:其中,τn(t)、 分别是t时刻簇Clustern的延迟,簇Clustern内第mn条射线的延迟, 与 之间LOS分量的延迟, 和 分别是t时刻 与th
之间GR路径和第l 条DR路径的时延,K是莱斯因子,N(t)、Mn(t)、L(t)分别为t时刻簇、簇Clustern内射线以及DR路径的数量,N(t)、Mn(t)分别利用广义极值分布与广义Pareto分布确定,L(t)是经验值,根据场景确定, 和分别是t时刻 与 之间LOS、NLOS、GR和DR分量的信道冲激响应,分别如下式所示:
其中,上标V和H分别表示垂直极化和水平极化, 分别表示t时刻接收天线阵列的方位角和仰角, 分别表示t时刻发射天线阵列的方位th
角和仰角, 分别为t时刻簇Clustern内第m 射线与接收天线阵列中心之间的方位角和仰角, 分别为t时刻簇Clustern内第m条射线与发射天线阵列中心之间的方位角和仰角, 分别表示t时刻GR路径的到达方位角和到达仰角, 分别表示t时刻GR路径的离开方位角和离开仰角,th
分别表示t时刻第l 条DR路径的到达方位角和到达仰角,th T R
分别表示t时刻第l 条DR路径的离开方位角和离开仰角,F (·)和F (·)是在全局坐标系中发射机Tx和接收机Rx的天线方向图, 分别表示GR的水平反射系数和垂直反射系数, 表示t时刻分量X的Doppler频移,LOS和NLOS的相位 均匀分布在(0,2π]内,κ为交叉极化比, 表示中簇内射线的归一化平均功率, 表示接收机的天线q, 表示发射机的天线p,则 是t时刻 与 之间的LOS距离T
矢量, 分别是t时刻 和 距离全局坐标系原点的3D位置矢量,(·)表示矩阵转置运算,||·||表示Frobenius范数运算,rrx,LOS(t)表示t时刻与方位角和仰角 相关的球面单位向量,rtx,LOS(t)表示t时刻与方位角 和仰角 相关的球面单位向量, 表示t时刻与方位角 和仰角相关的球面单位向量, 表示t时刻与方位角 和仰角相关的球面单位向量,rrx,GR(t)表示t时刻与方位角 和仰角 相关的球面单位向量,rtx,GR(t)表示t时刻与方位角 和仰角 相关的球面单位向量,表示t时刻与方位角 和仰角 相关的球面单位向量,表示t时刻与方位角 和仰角 相关的球面单位向量。
3.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述步骤S2包括:利用几何光学理论,对LOS、DR和GR路径的角度、长度、时延以及功率建模。
4.根据权利要求3所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述利用几何光学理论,对LOS路径的角度、长度、时延以及功率建模具体包括:LOS路径的角度 和 由经验值确定,接收天线阵列的方位角和仰角 均设定为 发射天线阵列的方位角和仰角分别设为 和
表示接收机的天线q, 表示发射机的天线p, 分别是t时刻和 距离全局坐标系原点的3D位置矢量,c是光速,则 与 之间的LOS距离矢量为:
则 与 之间LOS路径的时延为:
LOS路径的功率被定义为:
其中,K是莱斯因子。
5.根据权利要求3所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述利用几何光学理论,对DR路径的角度、长度、时延以及功率建模具体包括:表示接收机的天线q, 表示发射机的天线p,dl,q(t)和dl,p(t)分别是t时刻th th到第l 个设备反射面的距离,dl,qp(t)为t时刻 和 在第l 个反射面上投影点之间的距离,hrx,q(t),htx,p(t)分别是t时刻 和 距离地面的高度,th则第l 条DR路径的长度为:
th
第l 条DR路径的角度为:
其中, 表示t时刻发射天线阵列的方位角, 分别表示t时刻th th
第l 条DR路径的到达方位角和到达仰角, 分别表示t时刻第l 条DR路径的离开方位角和离开仰角;
th th
基于第l 条DR路径的长度,计算第l 条DR路径的时延为:th
第l 条DR路径的功率计算为:
其中,c是光速, 是t时刻LOS路径功率, 是t时刻 与 之间的LOS路径长度。
6.根据权利要求3所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述利用几何光学理论,对GR路径的角度、长度、时延以及功率建模具体包括:表示接收机的天线q, 表示发射机的天线p,hrx,q(t),htx,p(t)分别是t时刻和 距离地面的高度,d2D,qp(t)为t时刻 和 的水平距离, 表示t时刻发射天线阵列的方位角, 分别表示t时刻GR路径的到达方位角和到达仰角, 分别表示t时刻GR路径的离开方位角和离开仰角,则GR路径的长度为:
GR路径的角度为:
基于GR路径的长度,计算GR路径的时延和功率分别为:其中,c是光速, 是t时刻LOS路径的功率, 表示接收机的天线q, 表示发射机的天线p, 是t时刻 与 之间的LOS路径长度。
7.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述步骤S3包括:S31、基于簇的角度服从包裹高斯分布,对簇的角度进行建模;
S32、根据簇的角度参数,获得簇在发射机Tx和接收机Rx侧的距离矢量,基于所述距离矢量对簇的时延建模;
S33、根据步骤S32得出的时延对簇的功率建模。
8.根据权利要求7所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述步骤S31具体包括:簇Clustern的角度 服从包裹高斯分布,其中, 为t时刻簇Clustern和接收天线阵列中心之间的方位角和仰角,为t时刻簇Clustern和发射天线阵列中心之间的方位角和仰角;
第mn条射线的角度参数通过簇Clustern的角度加上角度偏差即可获得:AOA EOA
其中,Δφ ,Δφ , 分别是射线的角度偏差,服从均值为零和标准th
差为1°的Laplace分布, 分别为t时刻簇Clustern内第m 射线与接收th
天线阵列中心之间的方位角和仰角, 分别为t时刻簇Clustern内第m射线与发射天线阵列中心之间的方位角和仰角。
9.根据权利要求8所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述步骤S32具体包括:根据角度参数,分别获得簇Clustern到发射机Tx和接收机Rx阵列中心的距离矢量为:其中,D(t)是接收机Rx的初始位置矢量, 分别是服从指数分布的的Frobenius范数;
簇Clustern的延迟:
其中, 代表虚拟延迟,rτ是延迟比例,στ是延迟扩展因子,μn是服从均匀分布的随机变量μn~U(0,1);
因此,簇Clustern内第mn条射线到Tx和Rx天线阵列中心的距离矢量 和为:
分别是服从指数分布的 的Frobenius范数,则簇Clustern内第mn条射线的时延为:
10.根据权利要求9所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述步骤S33具体包括:簇Clustern的平均功率为:
其中,rτ是延迟比例,στ是延迟扩展因子,Zn服从高斯分布Zn~N(0,σn),σn是每个簇的阴影标准差;
第mn条射线的平均功率可计算为:
对射线mn的平均功率在Clustern的平均功率下进行比例缩放,得到:归一化得到第mn条射线的功率
11.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的无线信道建模方法,其特征在于,所述步骤S4包括:S41:令簇的生成率和重组率分别为λG和λR,设p′和q′分别是t时刻与天线p、q不同的Tx侧、Rx侧上单位天线,经过Δt后,一个簇对不同天线q(p)、q′(p′)的时间‑阵列联合幸存概率为:其中, 是t时刻Rx侧的参考天线q和Rx侧与q不同的天线q′之间的间距, 分别是t时刻接收天线q和接收天线q′的3D位置矢量,是t时刻发射机的参考天线p和发射机Tx中与p不同的天线p′之R
间的间距, 分别是t时刻发射天线p和发射天线p′的3D位置矢量,Δv=E[‖R C T T Cv‑v‖]和Δv=E[‖v‑v‖]分别表示Rx和Tx的平均相对速度, 和 分别是描述空间、时间相关性的相关系数,PF表示在工业环境中移动簇的百分比;
S42:基于簇在阵列轴上的生‑灭过程,天线p′(q′)在时间t+Δt的可见簇的平均数量为则天线p′(q′)在时间t+Δt时的可见簇的数量根据均值为E[Nnew]的泊松分布随机生成;
S43:根据步骤S3对新生簇和幸存簇进行角度、时延和功率的参数更新。
12.一种面向工业物联网的无线信道建模的系统,其特征在于,包括:CIR构建模块,用于建立表征工业物联网信道的CIR系统模型,其中,所述CIR系统模型包括确定性分量和随机性分量,所述定性分量包括LOS、GR和DR分量,所述随机性分量包括NLOS非视距分量;
确定性分量建模模块,用于基于工业信道的大设备、高密集特性,对所述LOS、GR和DR分量进行建模,获得确定性分量模型,其中,所述确定性分量模型包括反射路径的角度、时延和功率;
随机性分量建模模块,用于基于工业信道的富散射特性,采用双跳传播机制将发射机和接收机之间的散射环境建模为簇,对所述NLOS分量进行建模,获得簇的模型,其中,所述簇的模型包括簇及簇内射线角度、时延和功率;
簇更新模块,用于基于工业信道时间‑空间非平稳特性,依据所述簇的模型,获取簇在时间‑阵列轴上的幸存概率,根据所述幸存概率生成t+Δt时刻Tx侧和Rx侧天线的可见簇的平均数量,根据所述可见簇的平均数量对t时刻Tx和Rx侧天线观测到的簇进行角度、功率、时延参数的更新,其中,所述t+Δt时刻Tx和Rx侧天线观测到的簇包括幸存簇和新生簇。