综合天线因素的3D-MIMO信道模型及统计特性研究

摘要

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术能通过空间分集复用显著地提升频谱效率、数据速率和链路可靠性，降低传输功率，并且在不增加带宽的条件下提高信道容量。因此，在第四代移动通信系统中将2D-MIMO信道建模作为核心研究内容。近几年随着第五代移动通信技术的发展，三维(Three-dimensional,3D)多输入多输出信道建模成为研究的热点。因此，本文针对三维传播场景，研究综合天线因素的3D-MIMO信道模型，并在此基础上分析天线特性对信道统计特性的影响，用于辅助设计优化3D-MIMO系统的性能，增强系统的鲁棒性。论文的主要研究工作如下：
　　1.针对三维传播场景及不同流型天线阵列，推导了功率角度谱服从均匀、高斯、Von Mises Fisher分布时的相关性闭式解及小角度扩展时的近似解，并提出一种适用于任意传播环境的脉冲采样叠加模型。该模型将天线阵列空域相关系数等效为各个采样脉冲对应相关系数的加权之和。仿真结果显示，本文获得的闭式解、近似解和理论值非常吻合；近似结果可以适用于3GPP及WINNER标准中的场景性能评估；脉冲采样叠加模型，在很大程度上降低了相关性计算的复杂度以及运算量。
　　2.针对综合天线特性的3D-MIMO信道建模问题，研究了互耦效应、极化效应的机理，并分别分析了其对信号矢量、天线功率及相关性的影响情况。基于上述分析，提出了分别考虑互耦效应、极化效应的信道模型，并综合两者提出了同时考虑互耦效应、极化效应的3D-MIMO信道模型。仿真结果显示，互耦和极化因素均在一定程度上降低了天线单元功率，并且互耦效应、极化效应越显著，天线功率损失越大；计极化效应时，天线相关性有不同程度的减小，而计互耦效应时，两天线相关性曲线围绕不计互耦相关性曲线波动。
　　3.针对天线特性对3D-MIMO信道统计特性影响问题，推导了不计天线特性、仅考虑互耦效应、极化效应以及同时考虑互耦极化的任意两子信道相关性计算表达式，并给出了对应上述情况的3D-MIMO信道容量计算解析式；然后基于2*2的MIMO信道仿真案例，详细阐述了考虑互耦极化与只计互耦或极化的信道之间的关系；最后基于3GPP3D-MIMO标准信道场景，对上述2*2的MIMO信道仿真案例的相关性及信道容量等统计特性进行分析。仿真结果显示，互耦效应、极化效应对信道相关性均有影响，且对信道容量影响情况较复杂。

目录

声明

缩略词

注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作与内容安排

第二章 MIMO信道理论基础

2.1 MIMO系统简介

2.2 天线阵列相关性理论

2.3 MIMO信道模型

2.4 MIMO信道容量

第三章 任意场景不同阵列流型空域相关性

3.1 二维场景阵列相关性

3.2 三维场景空域相关系数闭式解

3.3 三维场景空域相关系数近似解

3.4 脉冲采样叠加模型

3.5 仿真结果与分析

3.6 本章小结

第四章 综合天线因素的3D-MIMO信道模型

4.1 互耦效应

4.2 极化效应

4.3 天线特性对功率及相关性影响

4.4 综合天线因素的MIMO信道建模

4.5 本章小结

第五章 天线特性对3D-MIMO信道统计特性的影响

5.1 MIMO信道相关性

5.2 MIMO信道容量

5.32*2 MIMO信道仿真案例

5.4 仿真结果与分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究工作展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文