非平穩(wěn)無線信道建模及其仿真技術(shù)研究

1、非平穩(wěn)無線信道建模及其仿真技術(shù)研究在無線通信中 ,傳播信道是連接通信系統(tǒng)中發(fā)射端與接收端的物理媒介 , 其 特性直接決定了無線通信系統(tǒng)的性能 ,如傳輸容量 ,誤碼率以及吞吐量等。由于電 磁波反射、繞射和散射等機(jī)制的相互作用 , 以及時(shí)刻受到障礙物以及收發(fā)端隨機(jī) 運(yùn)動(dòng)的影響 , 使得采用合理的方法準(zhǔn)確描述無線信道變得十分重要?，F(xiàn)有的信道 模型, 無論是理論推導(dǎo)建模亦或是基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析得到的標(biāo)準(zhǔn)模型等 , 都是建 立在廣義平穩(wěn)非相關(guān) (WSSUS,Wide-SenseStationary Uncorrelated Scattering) 假設(shè)之上的 , 如果用物理語言簡單描述就是 ,在一定的觀察

2、時(shí)間內(nèi) , 通過信道的復(fù) 帶通信號在傳輸過程中將呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)特性。但是隨著下一代無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展 , 尤其是5G技術(shù)的即將廣泛應(yīng)用，在實(shí)際的測量預(yù)研中不斷發(fā)現(xiàn)，已有的基于 WSSU假設(shè)建立的信道模型并不能完全描述實(shí)際的信道環(huán)境以及精確呈現(xiàn)信道 的統(tǒng)計(jì)特性。因此, 本文針對基于非平穩(wěn)為前提條件下的無線信道模型開展了深入研究 , 并且面向未來5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展,聯(lián)系最新的5G技術(shù)及應(yīng)用場景,逐步探索 和研究了適用于未來無線移動(dòng)通信系統(tǒng)典型部署場景的信道統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)及相 應(yīng)的信道模型。概括而言 , 本文主要開展了以下幾方面的研究工作 :1. 車對車 (V2V,Vehicle-to-Vehicle)

3、 三維非平穩(wěn)特性信道建模。在此部分的研究中 , 本文 通過采用基于幾何統(tǒng)計(jì)建模(GBSM,Geometry-Based Stochastic Model)的方法, 將散射體分布及其移動(dòng)抽象映射在以收發(fā)端天線為球心的散射球體表面之上 , 綜 合運(yùn)用電磁波理論模擬了各支路信號的傳播過程。另一方面 , 在假設(shè)諧波數(shù)目趨 于無窮大的理想條件下，本文還著重推導(dǎo)了 V2V三維信道理論參考模型。此外, 為實(shí)現(xiàn)在硬件平臺(tái)中的仿真 , 本文根據(jù)相應(yīng)的幾何關(guān)系 , 進(jìn)一步推導(dǎo)出 該參考模型的仿真模型 , 通過對其空時(shí)相關(guān)性的分析表明 , 該參考模型與仿真模 型均能體現(xiàn)出三維V2V信道因收發(fā)端以及散射體時(shí)移造成的非

4、平穩(wěn)特性。2.高速 鐵路(HST,High-Speed Train)非平穩(wěn)特性信道建模。本文首先在著名的高鐵Xiao 模型以及 QianLiu 模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn) , 通過引入平穩(wěn)時(shí)間 , 提出了非常適 合于高速移動(dòng)的HST改進(jìn)信道模型。此外，本文還利用高鐵只能依照既定軌道行 駛的特點(diǎn),通過基于幾何統(tǒng)計(jì)的橢圓模型 , 提出了一種可按不同速率不同方向運(yùn) 行的高鐵信道模型 , 克服了以往高鐵模型只能仿真固定速度固定方向行駛的缺點(diǎn)最后通過分析發(fā)現(xiàn)該模型能很好地體現(xiàn)由于時(shí)變速度造成的信道非平穩(wěn)特性。3.大規(guī)模陣列天線(Massive MIMO非平穩(wěn)特性信道建模。在此部分的研究中, 由于考慮到大規(guī)模

5、陣列天線與傳統(tǒng) MIMO天線的不同，首先從天線特性入手，逐步 推導(dǎo)了加入天線流型 , 互耦效應(yīng)以及極化特性的信道模型 , 通過對不同離開角和 入射角分布展開討論 , 分析了天線特性對信道容量的影響 , 尤其是重點(diǎn)分析了天 線特性的幾大部分 ,如天線數(shù)量,間距,流型以及互耦極化等對信道容量的影響程 度。接著在此基礎(chǔ)之上 , 又采用基于幾何統(tǒng)計(jì)方法對傳播特性在信道建模中的應(yīng) 用進(jìn)行了詳細(xì)分析 , 其中重點(diǎn)引入了散射體簇的生滅過程 , 如簇在時(shí)間軸上和天 線陣列軸上的生滅演進(jìn)等 , 在考慮簇的可視區(qū)域 , 簇的提取和簇參數(shù)動(dòng)態(tài)變化之 后, 充分運(yùn)用簇的生滅演進(jìn)特性來體現(xiàn)出大規(guī)模陣列天線模型的非平穩(wěn)特

6、性。4.信道仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。本文針對 MIMC空間相關(guān)信道建模(CBSM,Correlation-Based StochasticModeling )以及基于幾何統(tǒng)計(jì)信道建模(GBSM等兩種最為常見信道模型的硬件 仿真實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)討論。其中，一方面針對MIMO空間相關(guān)信道建模，本文在產(chǎn)生 時(shí)域自相關(guān) Rayleigh 衰落的基礎(chǔ)之上 , 運(yùn)用秩匹配方法得到了相應(yīng)自相關(guān) Nakagami衰落序列,并且利用Sim算法,獲得了能產(chǎn)生任意空時(shí)相關(guān)性的 Nakagami信道仿真算法；另一方面,針對不同組織提出的標(biāo)準(zhǔn)信道，如 3GPPSCM(3rdGeneration Partnership Projec

7、t Spatial Channel Model)、SCME ( Spatial Channel Model Extend ) , WINNER(Wireless World Initiative New Radio) 、WINNER-II 以及 ITU-R ( International Telecommunication Union-Radiocommunication Sector) M.2135, TR.36.873 等, 歸納其基本特性 , 總結(jié)并提出了一套涵蓋天線特性和傳播特性的通用GBSM&真模型,并且利用其各自不同的生成標(biāo)準(zhǔn) , 開發(fā)出了一套能從場景設(shè)置到產(chǎn)生大小尺度參數(shù)信道的算 法。最后利用現(xiàn)有的軟件無線電開發(fā)平臺(tái) , 研發(fā)出了一套可用于微波暗室信道仿 真的工程平臺(tái)。除此之外 , 本文介紹的無線信道仿真工具校準(zhǔn)和驗(yàn)證方案也為無 線信道仿真領(lǐng)域的研究工作提供了相應(yīng)的工程參考。綜上所述,本文面向未來5G通信系統(tǒng),在重點(diǎn)分析了現(xiàn)有廣義平穩(wěn)非相關(guān)散 射(WSSUS信道模型的不足和缺陷之后，有目的地對將來5G可能考慮的新場景 (如車對車,高鐵等)和新技術(shù)(大規(guī)模陣列天線 )分別進(jìn)行了研究 ,并且利用其各 自場景的不同特征 ,將非平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)特性引入到信道建模當(dāng)中 , 最后在理論