非平稳无线信道建模及其仿真技术研究

1、非平稳无线信道建模及其仿真技术研究在无线通信中 ,传播信道是连接通信系统中发射端与接收端的物理媒介 , 其 特性直接决定了无线通信系统的性能 ,如传输容量 ,误码率以及吞吐量等。由于电 磁波反射、绕射和散射等机制的相互作用 , 以及时刻受到障碍物以及收发端随机 运动的影响 , 使得采用合理的方法准确描述无线信道变得十分重要。现有的信道 模型, 无论是理论推导建模亦或是基于实测数据分析得到的标准模型等 , 都是建 立在广义平稳非相关 (WSSUS,Wide-SenseStationary Uncorrelated Scattering) 假设之上的 , 如果用物理语言简单描述就是 ,在一定的观察

2、时间内 , 通过信道的复 带通信号在传输过程中将呈现稳态特性。但是随着下一代无线网络的快速发展 , 尤其是5G技术的即将广泛应用，在实际的测量预研中不断发现，已有的基于 WSSU假设建立的信道模型并不能完全描述实际的信道环境以及精确呈现信道 的统计特性。因此, 本文针对基于非平稳为前提条件下的无线信道模型开展了深入研究 , 并且面向未来5G移动通信系统的发展,联系最新的5G技术及应用场景,逐步探索 和研究了适用于未来无线移动通信系统典型部署场景的信道统计特征参数及相 应的信道模型。概括而言 , 本文主要开展了以下几方面的研究工作 :1. 车对车 (V2V,Vehicle-to-Vehicle)

3、 三维非平稳特性信道建模。在此部分的研究中 , 本文 通过采用基于几何统计建模(GBSM,Geometry-Based Stochastic Model)的方法, 将散射体分布及其移动抽象映射在以收发端天线为球心的散射球体表面之上 , 综 合运用电磁波理论模拟了各支路信号的传播过程。另一方面 , 在假设谐波数目趋 于无穷大的理想条件下，本文还着重推导了 V2V三维信道理论参考模型。此外, 为实现在硬件平台中的仿真 , 本文根据相应的几何关系 , 进一步推导出 该参考模型的仿真模型 , 通过对其空时相关性的分析表明 , 该参考模型与仿真模 型均能体现出三维V2V信道因收发端以及散射体时移造成的非

4、平稳特性。2.高速 铁路(HST,High-Speed Train)非平稳特性信道建模。本文首先在著名的高铁Xiao 模型以及 QianLiu 模型的基础之上进行改进 , 通过引入平稳时间 , 提出了非常适 合于高速移动的HST改进信道模型。此外，本文还利用高铁只能依照既定轨道行 驶的特点,通过基于几何统计的椭圆模型 , 提出了一种可按不同速率不同方向运 行的高铁信道模型 , 克服了以往高铁模型只能仿真固定速度固定方向行驶的缺点最后通过分析发现该模型能很好地体现由于时变速度造成的信道非平稳特性。3.大规模阵列天线(Massive MIMO非平稳特性信道建模。在此部分的研究中, 由于考虑到大规模

5、阵列天线与传统 MIMO天线的不同，首先从天线特性入手，逐步 推导了加入天线流型 , 互耦效应以及极化特性的信道模型 , 通过对不同离开角和 入射角分布展开讨论 , 分析了天线特性对信道容量的影响 , 尤其是重点分析了天 线特性的几大部分 ,如天线数量,间距,流型以及互耦极化等对信道容量的影响程 度。接着在此基础之上 , 又采用基于几何统计方法对传播特性在信道建模中的应 用进行了详细分析 , 其中重点引入了散射体簇的生灭过程 , 如簇在时间轴上和天 线阵列轴上的生灭演进等 , 在考虑簇的可视区域 , 簇的提取和簇参数动态变化之 后, 充分运用簇的生灭演进特性来体现出大规模阵列天线模型的非平稳特

6、性。4.信道仿真平台的实现。本文针对 MIMC空间相关信道建模(CBSM,Correlation-Based StochasticModeling )以及基于几何统计信道建模(GBSM等两种最为常见信道模型的硬件 仿真实现做了详细讨论。其中，一方面针对MIMO空间相关信道建模，本文在产生 时域自相关 Rayleigh 衰落的基础之上 , 运用秩匹配方法得到了相应自相关 Nakagami衰落序列,并且利用Sim算法,获得了能产生任意空时相关性的 Nakagami信道仿真算法；另一方面,针对不同组织提出的标准信道，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, 归纳其基本特性 , 总结并提出了一套涵盖天线特性和传播特性的通用GBSM&真模型,并且利用其各自不同的生成标准 , 开发出了一套能从场景设置到产生大小尺度参数信道的算 法。最后利用现有的软件无线电开发平台 , 研发出了一套可用于微波暗室信道仿 真的工程平台。除此之外 , 本文介绍的无线信道仿真工具校准和验证方案也为无 线信道仿真领域的研究工作提供了相应的工程参考。综上所述,本文面向未来5G通信系统,在重点分析了现有广义平稳非相关散 射(WSSUS信道模型的不足和缺陷之后，有目的地对将来5G可能考虑的新场景 (如车对车,高铁等)和新技术(大规模阵列天线 )分别进行了研究 ,并且利用其各 自场景的不同特征 ,将非平稳统计特性引入到信道建模当中 , 最后在理论