高移動性無線通信系統(tǒng)空間信道測量技術(shù)研究.pdf

1、20世紀90年代后期，多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)的興起為無線數(shù)字通信系統(tǒng)帶來了一場技術(shù)革新。與正交頻分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，MIMO已成為從IEEE802.11無線局域網(wǎng)到4G LTE（Long Term Evolution）系列通信技術(shù)的物理層標準，也是5G移動通信以及高速列車無線通信建議規(guī)范LTE-R（LTE for Railway）的關(guān)鍵核心技術(shù)。為了更好的評估、設(shè)計和優(yōu)化

2、MIMO系統(tǒng)，最有效和最直接的方法就是理解MIMO信道傳播機制的空間多樣性、定位信道傳播環(huán)境中的散射體，從而探測每個信道沖激響應(yīng)分量的出發(fā)和達到方向，分析接收天線之間的衰落相關(guān)性和預(yù)測通信鏈路的可靠性和容量。
　　目前，獲取MIMO信道空域特征的信道測量技術(shù)通常有兩類方法：機械轉(zhuǎn)動定向天線法和多天線系統(tǒng)測試法。其中，機械轉(zhuǎn)動定向天線的方法，除了耗時以外，只適用于靜態(tài)信道或者較低多普勒頻率信道的測量。隨著天線陣列的增大，多天線系統(tǒng)測

3、試法需要對收集到的測試數(shù)據(jù)進行大量后處理，即使采用高性能的陣列方向估計算法，如MUSIC、SAGE、和ESPRIT，運算復(fù)雜度也很高，系統(tǒng)成本大。然而對于一些特殊的場景，如高速鐵路列車（High-Speed Railway，HSR）無線信道環(huán)境，除了高速移動性以外，極高的安全性要求也讓信道測量工作者難以在現(xiàn)有的HSR運行平臺上布局復(fù)雜的信道探測設(shè)備，使得傳統(tǒng)的信道測量方法難以實施。
　　基于特定通信場景的空間信道模型是發(fā)展基于MI

4、MO無線新技術(shù)標準的重要基礎(chǔ)，也是評定特定環(huán)境下MIMO技術(shù)性能的根本出發(fā)點。本文以高速鐵路列車無線通信系統(tǒng)為背景，探討高速運動場景下進行MIMO信道測量的有效新方法。本文的主要工作如下：
　　1.提出一種基于雙站合成孔徑雷達（Bistatic Synthetic Aperture Radar，BiSAR）技術(shù)的新穎信道測量方法。本文將信道測量問題投影到BiSAR場景重構(gòu)技術(shù)中，建立了一個固定發(fā)射機和勻速運動車載接收機信道傳播環(huán)境

5、下的 ST-BiSAR（Stationary Transmitter BiSAR）幾何模型。該模型很好地匹配了鐵路HSR無線通信的特定場景，通過BiSAR的場景重構(gòu)技術(shù)定位信道中的散射體，從而提取信道特征，簡化信道測量。
　　2.設(shè)計基于ST-BiSAR技術(shù)的信道仿真器。信道仿真器將具體的無線通信信道場景映射到ST-BiSAR的幾何模型中，分析成像空間的三維分辨率，設(shè)計合理的三維成像算法，重構(gòu)出三維信道場景；基于信道散射體的三維分

6、布地圖，提取出信道特征參數(shù)。根據(jù)成像的散射體圖像性能，對比信道特征參數(shù)的仿真結(jié)果和理論數(shù)值，評估出系統(tǒng)性能。本文利用信道仿真器對HSR信道的仿真分析結(jié)果，驗證了基于ST-BiSAR技術(shù)的信道測量方法是可行的。
　　3.實現(xiàn)ST-BiSAR通信環(huán)境的三維場景重構(gòu)。本文采用經(jīng)典時域back-projection（BP）算法生成多層二維場景平面圖像，利用多普勒聚焦原理提取散射體的高度信息，構(gòu)建出信道散射體的三維地圖。通過分析散射體的聚焦

7、成像性能、散射體的成像地圖和信道的特征參數(shù)值，驗證了本文采用的三維信道成像技術(shù)是有效的。
　　4.分析影響散射體成像或信道特征參數(shù)提取的因素。本文從散射體的位置分布、合成孔徑的時間、探測信道的帶寬和成像圖像的分辨率等方面，詳細討論了這些因素在不同參數(shù)設(shè)置下對散射體成像性能、信道特征參數(shù)提取的影響。從而為未來的研究工作提供參考。
　　5.開展基于ST-BiSAR技術(shù)的信道測量現(xiàn)場試驗。在充分利用現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)最大化性能

8、、最小化成本的原則，本文設(shè)計了以通用軟件無線電平臺（Universal Software Radio Peripheral，USRP）為核心設(shè)備的信道探測發(fā)射端和接收端。通過平臺傳輸測試、靜止測距和位置定位能力對ST-BiSAR信道探測平臺的性能進行了驗證測試。開展了以固定的車載發(fā)射機和近乎勻速運行的車載接收機布局的ST-BiSAR無線通信場景的現(xiàn)場試驗。通過試驗的初步結(jié)果進一步驗證了基于ST-BiSAR技術(shù)信道測量方法的工程實踐性，并

9、指出信道探測設(shè)備需要改進的地方。
　　綜上所述，本文提出的基于BiSAR技術(shù)的信道測量方法的優(yōu)越性有三點：
　　1).成本低、探測設(shè)備簡單，單通道足夠探測獲取MIMO空域特征；
　　2).信道空域分辨率更高，尤其是較長距離的無線傳播信道；
　　3).場景適應(yīng)性強，特別是常規(guī)信道測量方法過于復(fù)雜、測量設(shè)備過于龐大和昂貴的信道場景，如高速鐵路無線通信信道。針對 HSR信道場景，本文通過信道仿真和現(xiàn)場測試的初步結(jié)果驗證