本文關(guān)鍵詞：新一代無線通信系統(tǒng)的多天線信道建模和模型驗證，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在第四代移動通信系統(tǒng)(4G)走向商用之際,移動通信業(yè)務(wù)量的持續(xù)增長和業(yè)務(wù)多樣性推動著新一代無線通信系統(tǒng)技術(shù)的研究。三維多輸入多輸出(3 Dimensional MIMO,3D MIMO)技術(shù)在傳統(tǒng)多天線技術(shù)的基礎(chǔ)上將天線陣列從水平空間擴展到三維空間,增加了信道在垂直維度的自由度。該技術(shù)可以進一步提升無線通信系統(tǒng)的頻譜效率,并被視為新一代通信系統(tǒng)(5G)的關(guān)鍵技術(shù)之一。無線新技術(shù)的研究與評估離不開對無線信道傳播特性的認知與建模。由于4G之前的信道模型局限于水平空間而不支持3D MIMO技術(shù)的研究和評估,因此迫切需要關(guān)于3DMIMO信道的測量與建模的研究。論文的主要研究工作和創(chuàng)新性總結(jié)如下：1.3D MIMO信道測量與數(shù)據(jù)處理。利用信道測量平臺(sounder)搭建了寬帶3D MIMO信道測量系統(tǒng),測量系統(tǒng)的中心頻率為3.5GHz而頻帶帶寬為100MHz,選用具有32陣元的平面陣列作為發(fā)射天線,具有56陣元的全向天線陣列作為接收天線。之后分別在城市宏蜂窩、城市微蜂窩和室外到室內(nèi)等典型場景下進行3D信道響應(yīng)的數(shù)據(jù)采集,測量方式分為定點測量和移動路線測量并包含的視距與非視距兩種傳播條件。之后從采集數(shù)據(jù)中獲得信道沖擊響應(yīng)(Channel Impulse Response, CIR),并利用空間交替廣義期望最大化算法(Space Alternating Generalized Expectation Maximization, SAGE)從CIR中提取出傳播時延、多普勒頻偏、水平到達角、水平離開角、俯仰到達角、俯仰離開角以及極化復(fù)增益等信道參數(shù)。2.3D MIMO信道俯仰參數(shù)統(tǒng)計特性分析。基于所估計出的俯仰角度參數(shù),利用隨機過程理論全面地分析了各場景下俯仰角度的統(tǒng)計特性。相比于利用Gaussian擬合俯仰角度分布,發(fā)現(xiàn)Laplace分布函數(shù)可以更加精確的擬合各典型場景下收發(fā)兩端的俯仰功率角度譜。同時研究了非視距情況下俯仰功率角度譜角度均值統(tǒng)計特征,研究結(jié)果表明接收端俯仰角度均值集中于水平面附近而發(fā)射端俯仰角度均值基于水平面與俯仰視距方向之間。另外在視距情況下收發(fā)兩端俯仰功率角度譜的功率最大值所在方向近似于兩端俯仰視距方向。分析結(jié)果還表明各場景下收發(fā)兩端的俯仰角度擴展可以由Lognormal分布函數(shù)進行擬合,并且城市微蜂窩場景具有最大的俯仰角度擴展,特別是在非視距情況下發(fā)射端和接收端的俯仰角度擴展分別達到了13.18°和19.05°。3.3D MIMO信道的建模。根據(jù)俯仰角度參數(shù)統(tǒng)計特性的分析,提出了一種新的俯仰角度建模方法。分別以收發(fā)兩端的俯仰功率角度譜的功率最大值所在方向和俯仰功率角度譜的角度均值作為視距條件與非視距條件的建模對象,通過對抽取的離散俯仰角度樣本進行平移,獲得傳播徑的實際俯仰角度。在對3D天線陣列建模方法的研究中,闡述了包括線性天線陣列、平面天線陣列以及圓柱狀天線陣列在內(nèi)的天線陣列建模。最后在保留傳統(tǒng)信道參數(shù)建模的基礎(chǔ)上引入俯仰維度參數(shù),結(jié)合建議的俯仰角度建模方法和3D天線陣列建模方法,完成了3D MIMO信道建模。4.3D MIMO信道模型的驗證與評估。以實際信道測量數(shù)據(jù)為參考,從俯仰角度參數(shù)統(tǒng)計特性、信道響應(yīng)矩陣奇異值分布和MIMO信道容量三個方面驗證了本論文提出的3D MIMO信道模型。驗證結(jié)果表明該3D MIMO信道模型所生成的信道參數(shù)和信道響應(yīng)在上述三個指標上可以很好的吻合基于測量的結(jié)果。在驗證3D MIMO信道模型時,還對比分析了3D MIMO信道模型和傳統(tǒng)二維多輸入多輸出(2 Dimensional MIMO,2D MIMO)信道模型在奇異值分布和信道容量上的差異。分析結(jié)果表明相比于3D信道模型,缺少俯仰維度參數(shù)的2D MIMO信道模型會提高MIMO信道的空間相關(guān)性,導(dǎo)致在各場景下2D信道模型的奇異值分布要相對分散而且低估實際信道容量。此外該估計誤差的大小與場景有關(guān),其中微蜂窩場景的容量誤差最大,在視距和非視距情況下均超過40%,而宏蜂窩場景下的的容量誤差最小且維持在10%。5.3D MIMO信道空間相關(guān)性的研究�；趯嶋H信道測量,從均方根誤差、發(fā)射端信道矩陣的奇異值分布和多用戶合速率等方面對Kronecker積相關(guān)性模型進行驗證。驗證結(jié)果表明Kronecker積空間相關(guān)性模型為了保證空間相關(guān)性矩陣可分解,在局部改變了信道空間相關(guān)系數(shù),導(dǎo)致了信道復(fù)用能力的降低。在多用戶MIMO系統(tǒng)使用Kronecker積空間相關(guān)性模型會低估系統(tǒng)合速率,且估計誤差會隨著用戶數(shù)的增加而變大。當用戶數(shù)量從4增長到16時,估計誤差則由4%變?yōu)?.3%。隨后利用已驗證的3D MIMO信道模型推導(dǎo)出信道相關(guān)性的解析表達式,研究了俯仰角度參數(shù)和天線陣列配置對信道空間相關(guān)性的影響。研究結(jié)果表明由于水平維度具有較大的角度擴展,使得水平天線陣列比俯仰天線陣列具有更低的空間相關(guān)性。因此對于3D天線陣列,在充分利用水平空間配置天線陣元的基礎(chǔ)上,應(yīng)當盡可能增加俯仰維度的陣元間距(2-4倍水平間距)換取信道復(fù)用能力的提升。綜上所述,本論文面向5G系統(tǒng),基于信道測量數(shù)據(jù)對俯仰維度參數(shù)進行了統(tǒng)計分析。測量分析結(jié)果隨后被用來進行3D MIMO信道的建模,并從奇異值分布和信道容量等方面對3D MIMO信道模型進行驗證。最后對信道空間相關(guān)性進行了研究,評估了Kronecker積相關(guān)性模型,并利用3D MIMO信道模型分析了信道俯仰維度參數(shù)和天線配置對信道空間相關(guān)性的影響。
【關(guān)鍵詞】：信道測量與建模 3D MIMO 信道模型驗證 信道容量 信道空間相關(guān)性
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.5
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 緒論15-31
• 1.1 未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展15-16
• 1.2 無線信道測量與建模的重要性16-20
• 1.3 3D MIMO信道建模的研究意義與現(xiàn)狀20-21
• 1.4 論文主要內(nèi)容及創(chuàng)新性21-23
• 1.5 論文組織結(jié)構(gòu)23-24
• 參考文獻24-31
• 第二章 3D MIMO信道測量與數(shù)據(jù)處理31-53
• 2.1 MIMO信道模型架構(gòu)31-35
• 2.1.1 2D多天線信道模型架構(gòu)32-34
• 2.1.2 3D多天線信道模型架構(gòu)34-35
• 2.2 多天線信道測量系統(tǒng)35-43
• 2.2.1 多天線信道測量平臺36-38
• 2.2.2 測量天線選擇38-41
• 2.2.3 測量系統(tǒng)原理與參數(shù)設(shè)計41-43
• 2.3 多天線信道測量43-45
• 2.3.1 城市宏蜂窩43-44
• 2.3.2 城市微蜂窩44-45
• 2.3.3 室外到室內(nèi)45
• 2.4 多天線實測數(shù)據(jù)處理方法45-50
• 2.4.1 信道沖擊響應(yīng)的計算46-47
• 2.4.2 信道參數(shù)提取47-50
• 2.5 總結(jié)50
• 參考文獻50-53
• 第三章 3D MIMO信道俯仰參數(shù)統(tǒng)計特性分析53-73
• 3.1 相關(guān)工作綜述53-55
• 3.2 測量數(shù)據(jù)初步分析55-57
• 3.2.1 信道增益在時延域分布情況55-56
• 3.2.2 信道增益在空間域分布情況56-57
• 3.3 俯仰功率角度譜57-59
• 3.3.1 俯仰功率角度譜定義57
• 3.3.2 俯仰功率角度譜分布情況57-59
• 3.4 俯仰角度均值59-65
• 3.4.1 俯仰視距方向定義59
• 3.4.2 俯仰角度均值統(tǒng)計特性分析59-65
• 3.5 俯仰角度擴展值65-67
• 3.5.1 俯仰角度擴展定義65
• 3.5.2 俯仰角度擴展統(tǒng)計特性分析65-67
• 3.6 大尺度參數(shù)互相關(guān)性67-68
• 3.6.1 大尺度參數(shù)互相關(guān)性定義67-68
• 3.6.2 大尺度參數(shù)互相關(guān)性特性分析68
• 3.7 大尺度參數(shù)自相關(guān)距離68-70
• 3.7.1 大尺度參數(shù)自相關(guān)距離定義68-69
• 3.7.2 大尺度參數(shù)自相關(guān)距離特性分析69-70
• 3.8 總結(jié)70
• 參考文獻70-73
• 第四章 基于實地測量的3D MIMO信道建模研究73-95
• 4.1 相關(guān)工作綜述73-76
• 4.2 無線信道建模方法研究76-79
• 4.2.1 傳統(tǒng)2D MIMO信道建模方法76-78
• 4.2.2 3D MIMO信道建模方法78-79
• 4.3 空域俯仰角度的建模79-83
• 4.3.1 LOS情況下俯仰角度建模方法79-81
• 4.3.2 NLOS情況下俯仰角度建模方法81-83
• 4.4 3D天線陣列建模83-87
• 4.4.1 線性天線陣列83-85
• 4.4.2 平面天線陣列85-86
• 4.4.3 圓柱狀天線陣列86-87
• 4.5 3D MIMO信道建模87-92
• 4.5.1 用戶參數(shù)定義87
• 4.5.2 3D MIMO信道大尺度參數(shù)建模87-89
• 4.5.3 3D MIMO信道小尺度參數(shù)建模89-91
• 4.5.4 3D MIMO信道響應(yīng)建模91-92
• 4.6 總結(jié)92-93
• 參考文獻93-95
• 第五章 3D MIMO信道模型驗證95-111
• 5.1 信道模型驗證方法95-98
• 5.2 空域角度統(tǒng)計特性驗證98
• 5.3 MIMO信道奇異值分析與驗證98-103
• 5.3.1 MIMO信道奇異值分布分析方法98-100
• 5.3.2 MIMO信道特征值分布驗證100-103
• 5.4 MIMO信道容量分析與驗證103-109
• 5.4.1 MIMO信道容量分析方法104-105
• 5.4.2 MIMO信道容量驗證105-109
• 5.5 總結(jié)109
• 參考文獻109-111
• 第六章 3D MIMO信道空間相關(guān)性分析111-133
• 6.1 相關(guān)工作綜述111-113
• 6.2 Kroneker積相關(guān)性模型的評估113-119
• 6.2.1 Kroneker積相關(guān)性模型113-115
• 6.2.2 均方根誤差115-116
• 6.2.3 奇異值116-117
• 6.2.4 MU-MIMO系統(tǒng)合速率117-119
• 6.3 3D MIMO信道空間相關(guān)性分析119-130
• 6.3.1 基于3D MIMO信道模型的空間相關(guān)性研究119-124
• 6.3.2 天線陣元間距對空間相關(guān)特性的影響124-127
• 6.3.3 角度特征對空間相關(guān)特性的影響127-130
• 6.4 總結(jié)130
• 參考文獻130-133
• 第七章 總結(jié)與展望133-137
• 7.1 論文總結(jié)133-135
• 7.2 未來研究展望135-137
• 附錄A 公式6-15的證明137-139
• 附錄B 縮略語表139-143
• 致謝143-145
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄145-146

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本文編號：336883