寬帶無線信道特性測量與建模技術研究.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的動力和挑戰(zhàn)。眾多新技術中，多輸入多輸出（Mullti-Input Multi-Output，MIMO）技術因為具有傳輸速率、移動性、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鍵技術。MIMO技術中信號處理算法，空時聯(lián)合檢測和系統(tǒng)鏈路預算等技術，與無線信道的特性密切相關。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信號的相關性。因此，需要對無線MIMO信道的傳輸特性進行仿真與測量，進而建立適合不同應用場景的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，開展信道特性的測量和建模技術研究，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，在國家重大專項課題的支持下，針對目前國內(nèi)外MIMO信道測量設備的現(xiàn)狀，為主設計并研制了我國首套四頻點、100MHz信號寬帶、四輸入四輸出(4×4)MIMO信道測量儀。與國外現(xiàn)有設備相比，在分布式測量、實時雙向測量、真實多通道（非天線開關切換）等方面實現(xiàn)了超越。特別的，可實時測量分布式MIMO雙向信道特性。與時分開關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、可擴展和可裁剪模塊化設計，實時處理能力強等優(yōu)點。
　　 結(jié)合自主研制的MIMO信道測量儀，給出了基于相關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的測量結(jié)果，統(tǒng)計了多徑時延擴展，研究了天線

5、間距對相關性的影響。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)境信號會出現(xiàn)極化旋轉(zhuǎn)，從而導致MIMO信道相關性增高，這是與純LOS環(huán)境不同的特點。此外，在靜態(tài)環(huán)境進行的對比測試，也獲得了與基于矢量網(wǎng)絡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，首次進行了分布式MIMO信道的測量。研究了信號衰落特性，驗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的多徑數(shù)量與時延擴展統(tǒng)計特性，并分析了產(chǎn)生原因。統(tǒng)計了各接入點覆蓋區(qū)域的MIMO信道相關性，指出當天線間距大于二分之一波長，信道相關性主要取決于傳輸路徑與接入點位置，并給出架設分布式MIMO接入點的建議。信道容量的統(tǒng)計顯示各個分布式站點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建MIMO傳輸信道。首先基于MIMO無線信道的相關理論，分析

7、了天線極化對相關矩陣的影響。針對MIMO在視距傳輸環(huán)境中的應用，理論分析并實驗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)果可以作為構建MIMO系統(tǒng)選擇天線的依據(jù)，使得同

8、一天線可以應用于不同的場合。設計的六極化天線陣列，可以在較小的尺寸上實現(xiàn)低相關性的多天線，適用于LOS和非直達經(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)中的應用，研究了車內(nèi)超寬帶信道特性。首先進行了車內(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、時延擴展等信道參數(shù)。測量結(jié)果統(tǒng)計顯示，車內(nèi)環(huán)境下的小尺度多徑衰落模型可以使用改進的Saleh-Valenzuela(S-V)模型進行描述。車內(nèi)的幅度衰落統(tǒng)計特性服從Lognormal分布。統(tǒng)計得出的信道參數(shù)和分布特性可以建立離散時間信道模型，應用于仿真與驗證寬帶通信系統(tǒng)。
　　 以上工作中多項成果是屬于國內(nèi)外首次獲得的，如帶寬100MHz、實時雙向4通道MIMO信道測量設備、校準方法、室外分