寬帶無線信道特性測量與建模技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信的快速發(fā)展，高數(shù)據(jù)率和高容量的需求與有限頻譜資源之間的矛盾，成為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（Mullti-Input Multi-Output，MIMO）技術(shù)因?yàn)榫哂袀鬏斔俾省⒁苿?dòng)性、頻譜效率等方面的明顯優(yōu)勢，正逐漸成為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)中信號處理算法，空時(shí)聯(lián)合檢測和系統(tǒng)鏈路預(yù)算等技術(shù)，與無線信道的特性密切相關(guān)。而且，對于MIMO信道，除了要研究相干帶寬、路徑功率衰減等信道

2、特性以外，還需要考慮MIMO信號的相關(guān)性。因此，需要對無線MIMO信道的傳輸特性進(jìn)行仿真與測量，進(jìn)而建立適合不同應(yīng)用場景的MIMO無線衰落信道模型。
　　 本文針對寬帶MIMO和超寬帶（Ultra Wideband，UWB）無線通信系統(tǒng)，考慮包含收發(fā)天線和無線傳輸環(huán)境的廣義信道，結(jié)合通信理論、電磁場理論和天線技術(shù)，開展信道特性的測量和建模技術(shù)研究，包括MIMO信道測量儀的研制、室內(nèi)外環(huán)境下MIMO傳輸特性測量與建模、天線極化分集

3、在MIMO傳輸中的應(yīng)用和車內(nèi)超寬帶信道特性測量與建模等。論文主要工作如下:
　　 首先，在國家重大專項(xiàng)課題的支持下，針對目前國內(nèi)外MIMO信道測量設(shè)備的現(xiàn)狀，為主設(shè)計(jì)并研制了我國首套四頻點(diǎn)、100MHz信號寬帶、四輸入四輸出(4×4)MIMO信道測量儀。與國外現(xiàn)有設(shè)備相比，在分布式測量、實(shí)時(shí)雙向測量、真實(shí)多通道（非天線開關(guān)切換）等方面實(shí)現(xiàn)了超越。特別的，可實(shí)時(shí)測量分布式MIMO雙向信道特性。與時(shí)分開關(guān)切換或虛擬天線陣測量儀相比，

4、它的測量周期短，不易受相位噪聲影響，并且支持高速快衰落環(huán)境測量。此外還具有可定制、可擴(kuò)展和可裁剪模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　 結(jié)合自主研制的MIMO信道測量儀，給出了基于相關(guān)矩陣建模的方法和待測參數(shù)，開展了典型辦公環(huán)境和城郊結(jié)合環(huán)境的MIMO信道特性測量，定量、定性地分析了MIMO無線傳播信道的各種特性，得出了寬帶MIMO信道的一些規(guī)律性結(jié)論。在室內(nèi)環(huán)境中，分析了信道沖擊響應(yīng)的測量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了多徑時(shí)延擴(kuò)展，研究了天線

5、間距對相關(guān)性的影響。針對室內(nèi)視距（Line-Of-Sight，LOS）傳輸環(huán)境，比較了全向天線和定向多極化天線的信道特性，指出了室內(nèi)LOS環(huán)境信號會(huì)出現(xiàn)極化旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致MIMO信道相關(guān)性增高，這是與純LOS環(huán)境不同的特點(diǎn)。此外，在靜態(tài)環(huán)境進(jìn)行的對比測試，也獲得了與基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試方法一致的測量結(jié)果。針對典型的城郊結(jié)合環(huán)境，首次進(jìn)行了分布式MIMO信道的測量。研究了信號衰落特性，驗(yàn)證了路徑損耗符合對數(shù)損耗模型，并給出了路損指數(shù)。對

6、多徑特性的研究給出了各站點(diǎn)的多徑數(shù)量與時(shí)延擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)特性，并分析了產(chǎn)生原因。統(tǒng)計(jì)了各接入點(diǎn)覆蓋區(qū)域的MIMO信道相關(guān)性，指出當(dāng)天線間距大于二分之一波長，信道相關(guān)性主要取決于傳輸路徑與接入點(diǎn)位置，并給出架設(shè)分布式MIMO接入點(diǎn)的建議。信道容量的統(tǒng)計(jì)顯示各個(gè)分布式站點(diǎn)的信道容量都服從正態(tài)分布，并給出了分布參數(shù)。
　　 考慮包括天線在內(nèi)的廣義MIMO信道，研究了通過多極化天線構(gòu)建MIMO傳輸信道。首先基于MIMO無線信道的相關(guān)理論，分析

7、了天線極化對相關(guān)矩陣的影響。針對MIMO在視距傳輸環(huán)境中的應(yīng)用，理論分析并實(shí)驗(yàn)研究了六極化天線在MIMO視距傳輸環(huán)境下的信道容量和相關(guān)特性。結(jié)果表明:對于2×2 MIMO系統(tǒng)，正交極化可以獲得更好的系統(tǒng)性能，提出了0°/90°的正交極化組合可以提供最好的性能。對于4×4 MIMO系統(tǒng)，0°/90°/RCP/LCP和0°/90°/-45°/+45°的極化組合可以獲得更高的系統(tǒng)容量。這一研究結(jié)果可以作為構(gòu)建MIMO系統(tǒng)選擇天線的依據(jù)，使得同

8、一天線可以應(yīng)用于不同的場合。設(shè)計(jì)的六極化天線陣列，可以在較小的尺寸上實(shí)現(xiàn)低相關(guān)性的多天線，適用于LOS和非直達(dá)經(jīng)(Non Line Of Sight，NLOS)的MIMO信道環(huán)境。
　　 針對寬帶無線通信在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用，研究了車內(nèi)超寬帶信道特性。首先進(jìn)行了車內(nèi)超寬帶信道特性的測量，介紹了測量系統(tǒng)與方案。測量場景包含了LOS和NLOS兩類傳輸情況，還考慮了收發(fā)天線距離的變化和車內(nèi)乘員人數(shù)的變化。通過對測量數(shù)據(jù)參數(shù)提取和曲線

9、擬合，給出了車內(nèi)無線信道的功率延遲譜、時(shí)延擴(kuò)展等信道參數(shù)。測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，車內(nèi)環(huán)境下的小尺度多徑衰落模型可以使用改進(jìn)的Saleh-Valenzuela(S-V)模型進(jìn)行描述。車內(nèi)的幅度衰落統(tǒng)計(jì)特性服從Lognormal分布。統(tǒng)計(jì)得出的信道參數(shù)和分布特性可以建立離散時(shí)間信道模型，應(yīng)用于仿真與驗(yàn)證寬帶通信系統(tǒng)。
　　 以上工作中多項(xiàng)成果是屬于國內(nèi)外首次獲得的，如帶寬100MHz、實(shí)時(shí)雙向4通道MIMO信道測量設(shè)備、校準(zhǔn)方法、室外分