高移動(dòng)性無(wú)線通信系統(tǒng)空間信道測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、20世紀(jì)90年代后期，多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)的興起為無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)帶來(lái)了一場(chǎng)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(wú)線局域網(wǎng)到4G LTE（Long Term Evolution）系列通信技術(shù)的物理層標(biāo)準(zhǔn)，也是5G移動(dòng)通信以及高速列車無(wú)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(píng)估、設(shè)計(jì)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(jī)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(cè)每個(gè)信道沖激響應(yīng)分量的出發(fā)和達(dá)到方向，分析接收天線之間的衰落相關(guān)性和預(yù)測(cè)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(cè)量技術(shù)通常有兩類方法：機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)定向天線法和多天線系統(tǒng)測(cè)試法。其中，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)定向天線的方法，除了耗時(shí)以外，只適用于靜態(tài)信道或者較低多普勒頻率信道的測(cè)量。隨著天線陣列的增大，多天線系統(tǒng)測(cè)

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

4、MO無(wú)線新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要基礎(chǔ)，也是評(píng)定特定環(huán)境下MIMO技術(shù)性能的根本出發(fā)點(diǎn)。本文以高速鐵路列車無(wú)線通信系統(tǒng)為背景，探討高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下進(jìn)行MIMO信道測(cè)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(dá)（Bistatic Synthetic Aperture Radar，BiSAR）技術(shù)的新穎信道測(cè)量方法。本文將信道測(cè)量問題投影到BiSAR場(chǎng)景重構(gòu)技術(shù)中，建立了一個(gè)固定發(fā)射機(jī)和勻速運(yùn)動(dòng)車載接收機(jī)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(wú)線通信的特定場(chǎng)景，通過(guò)BiSAR的場(chǎng)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(jiǎn)化信道測(cè)量。
　　2.設(shè)計(jì)基于ST-BiSAR技術(shù)的信道仿真器。信道仿真器將具體的無(wú)線通信信道場(chǎng)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(jì)合理的三維成像算法，重構(gòu)出三維信道場(chǎng)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(duì)比信道特征參數(shù)的仿真結(jié)果和理論數(shù)值，評(píng)估出系統(tǒng)性能。本文利用信道仿真器對(duì)HSR信道的仿真分析結(jié)果，驗(yàn)證了基于ST-BiSAR技術(shù)的信道測(cè)量方法是可行的。
　　3.實(shí)現(xiàn)ST-BiSAR通信環(huán)境的三維場(chǎng)景重構(gòu)。本文采用經(jīng)典時(shí)域back-projection（BP）算法生成多層二維場(chǎng)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(guò)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(yàn)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(shí)間、探測(cè)信道的帶寬和成像圖像的分辨率等方面，詳細(xì)討論了這些因素在不同參數(shù)設(shè)置下對(duì)散射體成像性能、信道特征參數(shù)提取的影響。從而為未來(lái)的研究工作提供參考。
　　5.開展基于ST-BiSAR技術(shù)的信道測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。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(jì)了以通用軟件無(wú)線電平臺(tái)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）為核心設(shè)備的信道探測(cè)發(fā)射端和接收端。通過(guò)平臺(tái)傳輸測(cè)試、靜止測(cè)距和位置定位能力對(duì)ST-BiSAR信道探測(cè)平臺(tái)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。開展了以固定的車載發(fā)射機(jī)和近乎勻速運(yùn)行的車載接收機(jī)布局的ST-BiSAR無(wú)線通信場(chǎng)景的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)的初步結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了基于ST-BiSAR技術(shù)信道測(cè)量方法的工程實(shí)踐性，并

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