MIMO-UWB無線信道特性研究與建模.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們持續(xù)增長的業(yè)務(wù)需求與有限頻譜資源之間的矛盾成為學(xué)者們研究新一代通信技術(shù)的動(dòng)力和挑戰(zhàn)。眾多新技術(shù)中，多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)和超寬帶(UWB)技術(shù)因?yàn)榫哂袀鬏斔俾矢?、系統(tǒng)容量大等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為無線通信領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點(diǎn)。一方面，MIMO通信系統(tǒng)中的空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)，在很大程度上依賴于MIMO信道的空時(shí)特性。另一方面，UWB通信系統(tǒng)中由于其低發(fā)送功率的限制，了解超寬帶的脈沖波形在復(fù)雜傳輸過程中遇到的失真問題

2、，是保證無線鏈路可靠傳輸?shù)南葲Q條件?？傊?，MIMO通信系統(tǒng)和UWB通信系統(tǒng)中信號(hào)處理算法和系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)是與具體的通信環(huán)境密切相關(guān)的。因而，我們需要對(duì)無線衰落信道的建模與仿真技術(shù)進(jìn)行研究，以便分析不同信道傳播參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及信號(hào)處理算法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。
　　 本文針對(duì)新一代無線通信MIMO和UWB系統(tǒng)開展其信道特性和建模研究。考慮包含收發(fā)天線和無線傳輸環(huán)境的廣義信道，重點(diǎn)針對(duì)MIMO技術(shù)在視距無線傳輸中的應(yīng)用和UWB技術(shù)在車

3、內(nèi)寬帶無線接入中的應(yīng)用，結(jié)合通信理論、電磁場理論和天線技術(shù)，開展信道特性和建模研究。
　　 論文的主要研究工作包括：
　　 第一章為緒論，介紹了無線信道特性研究的歷史和現(xiàn)狀，給出了論文結(jié)構(gòu)安排并歸納了論文工作的創(chuàng)新之處。
　　 第二章介紹了無線信道的基本理論知識(shí)、信道建模的研究方法和典型信道模型及其特性，作為后續(xù)章節(jié)研究的基礎(chǔ)。
　　 第三章基于MIMO無線信道的相關(guān)理論，首先給出了廣義MIMO信道矩陣的

4、表達(dá)式和特征描述，并闡述了將信道矩陣條件數(shù)作為信道特征參數(shù)的意義。以往通信系統(tǒng)中，由于信道矩陣低秩的因素，MIMO技術(shù)很少應(yīng)用在純視距傳輸環(huán)境中。本章研究了MIMO技術(shù)在純視距傳輸環(huán)境中應(yīng)用的可行性，以及為保證MIMO通信系統(tǒng)的有效性在信道構(gòu)建中所需要滿足的約束條件。該約束條件是系統(tǒng)工作頻率、傳輸距離和天線陣列布局的函數(shù)。通過對(duì)信道容量和信道矩陣條件數(shù)的討論，給出了MIMO技術(shù)在純視距傳輸環(huán)境下的實(shí)施建議。將極化分集技術(shù)引入到純視距傳輸

5、下的MIMO通信系統(tǒng)中，能夠降低約束條件的制約；將定向耦合器和移相器置于天線前端能夠改善MIMO通信系統(tǒng)在視距環(huán)境下的信道矩陣低秩問題。仿真結(jié)果說明了上述兩種技術(shù)能在獲得同等信道性能的條件下，有效降低子信道之間的相關(guān)性，使得信道可支持多路獨(dú)立數(shù)據(jù)流的傳輸。
　　 本章還基于電磁散射理論研究了室外視距傳輸環(huán)境下的MIMO信道特性，通過解析推導(dǎo)給出了存在典型散射體簡化模型的MIMO信道矩陣，分析了不同情況下MIMO信道特性的變化趨勢(shì)

6、。該信道模型考慮了天線對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并精確地描述出電磁波的傳播過程，對(duì)實(shí)際MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。
　　 第四章在介紹了UWB通信系統(tǒng)的信道特點(diǎn)之后，指出了UWB天線傳輸性能對(duì)信道建模的影響?；趶V義信道的定義，本文對(duì)UWB通信系統(tǒng)的信道建模擴(kuò)展到對(duì)其天線傳輸函數(shù)的研究。通過運(yùn)用拉氏域天線輻射分析方法，理論推導(dǎo)了UWB貼片天線輻射的時(shí)域表達(dá)式，從而獲得了UWB天線輻射對(duì)信號(hào)波形畸變的初步認(rèn)識(shí)。針對(duì)UWB天線對(duì)傳系

7、統(tǒng)，分別定義了發(fā)送天線的傳輸函數(shù)、接收天線的傳輸函數(shù)和天線系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，并給出了傳輸函數(shù)的求解和測量方法。實(shí)驗(yàn)測量采用了多組UWB貼片天線，分別進(jìn)行了頻域和時(shí)域的對(duì)傳測量，并依據(jù)其測量數(shù)據(jù)求解其發(fā)送、接收和系統(tǒng)的傳輸函數(shù)。通過傳輸函數(shù)得以了解天線輻射和接收過程中UWB信號(hào)波形畸變的過程。著重對(duì)信號(hào)波形畸變的產(chǎn)生原理及其與定量衡量方法進(jìn)行了討論，并從時(shí)域、頻域角度給出在脈沖輻射過程中影響天線波形保真能力的關(guān)鍵因素，文中還結(jié)合天線的傳輸性

8、能對(duì)UWB通信系統(tǒng)接收端模板信號(hào)的選取進(jìn)行了討論。
　　 第五章研究了車內(nèi)環(huán)境的信道特性與建模，該信道模型可以應(yīng)用在車內(nèi)的寬帶無線接入系統(tǒng)中。研究工作包括了車內(nèi)傳播環(huán)境的仿真、車內(nèi)寬帶信道特性的測量以及車內(nèi)信道特征的提取與建模。全波仿真采用與被測車型Ford MONDEO2.5 V6尺寸一致的3D模型，仿真結(jié)果提供了車內(nèi)信號(hào)傳播的能量分布。車內(nèi)無線傳輸信道的測量采用頻域測量法，使用了一對(duì)性能一致的貼片UWB天線，測量場景包含了視

9、距和非視距兩類傳輸情況，測量包括了收發(fā)天線距離的變化、天線傾角的變化以及車內(nèi)乘員人數(shù)的變化。數(shù)據(jù)后處理過程中，采用了CLEAN算法以去除信道測量數(shù)據(jù)中天線的影響。實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合。通過對(duì)測量數(shù)據(jù)參數(shù)提取和曲線擬合，給出了車內(nèi)信道的功率延遲譜、時(shí)延擴(kuò)展、信道容量等信道參數(shù)。研究表明，其大尺度衰落符合指數(shù)衰減，其小尺度衰落符合Saleh-Valenzuela模型。研究結(jié)果還分析了不同傳輸場景和車內(nèi)乘員人數(shù)變化對(duì)信道參數(shù)的影響，并得出