3D MIMO信道建模研究与实现

摘要

随着互联网技术和第五代移动通信（the5th Generation communication system，5G）通信的发展，人们对通信系统的质量提出了更高的要求。在无线通信过程中，信号受到散射体的干扰，更难有效保证通信质量，因此建立更加精确的信道模型，以此来进行通信过程的研究迫在眉睫。 信道建模即对信道建立模型，是用数学的方式去描述信道的特性。信道模型中涉及的参数有很多，不同的场景也会有不同的参数统计特性，所以会衍生出不同的信道模型和信道建模方法，主要包含了两类，即基于相关性的信道建模方法和基于射线的信道建模方法。本文的主要研究内容是基于5G通信的城市环境中的信道建模研究。通过对无线信道衰落特性的分析，研究了单输入单输出（Single-Input Single-Output，SISO）信道和多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）信道的建模过程。在此基础上，提出3D MIMO信道建模的过程并对相关算法进行了改进。最后，在现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）硬件平台上对相关模型进行了实现。 本文第二章介绍了空时无线信道的特性，包括衰落的分类以及各自参数的研究。其次提出了信道相干性的概念，分别介绍了时间、频率和空间上的相干性，以及对抗信道选择性的方法，并对信道的衰落特性进行了数学上的推导分析。第三章主要研究了SISO信道模型的建立方法，包含了室内和室外不同的场景。接下来引入角度功率谱，分析了几种常见的角度功率谱模型，并推导了角度谱和波数谱的关系。在此基础上，研究了MIMO信道的特征并且根据可靠的统计参数对MIMO信道进行了仿真。第四章研究了三维（three-dimensional，3D）MIMO信道建模的方法，首先将信道中的参数与实际场景结合并设置，逐步完成信道模型的建立。然后对3D MIMO信道建模的仿真结果进行分析，从时域波形、相关性等方面判断与实际信道的贴合程度。在此基础上，本文提出了一种基于修正因子的3D MIMO信道建模方法，通过修正因子对信道模型进行降维，简化建模过程。最后，利用Matlab和FPGA硬件联合仿真，对信道模型进行模块化实现，分析了相应的结果。

目录

声明

缩略词表

第一章 绪论

1.1 3D MIMO信道建模研究背景与意义

1.23D MIMO信道建模研究现状

1.2.1 3D MIMO信道传输特性

1.2.2 信道模型分类与讨论

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文组织结构

第二章 空时无线信道特征与研究

2.1 无线信道的衰落特性

2.1.1 无线信道衰落分类

2.1.2 无线信道衰落特性参数研究

2.2 信道相干性

2.2.1 相干性与选择性

2.2.2 时间相干性

2.2.3 频率相干性

2.2.4 空间相干性

2.3 无线衰落信道的统计特性和生成

2.3.1 无线衰落信道的统计特性

2.3.2 无线衰落信道的生成

2.4 本章小结

第三章 信道建模研究与仿真

3.1 SISO信道建模

3.1.1 一般室内信道模型

3.1.2 室外信道模型

3.2 信道角度谱模型

3.2.1 角度谱的定义

3.2.2 三维信道角度谱分布

3.2.3 角度至波数的映射

3.3 MIMO信道建模

3.3.1 MIMO信道建模统计理论

3.3.2 基于射线的SCM MIMO信道建模

3.4 本章小结

第四章 基于5G标准的3D MIMO信道建模

4.1 5G标准下的信道建模

4.2 基于射线的3D MIMO信道建模

4.2.1 3D MIMO信道建模流程

4.2.23D MIMO信道建模参数分析

4.3 3D MIMO信道模型分析

4.3.1 3D MIMO信道模型波形分析

4.3.23D MIMO信道相关性分析

4.4 一种基于修正因子的3D MIMO信道建模方法

4.4.1 建模流程

4.4.2 多径形状因子定义

4.4.3 信道波数扩展

4.4.4 波数扩展与角度扩展的关系

4.4.5 修正因子修正结果仿真

4.4.6两种3D MIMO信道建模方法性能分析

4.5 本章小结

第五章3D MIMO信道建模的FPGA实现

5.1 信道建模实现方案

5.1.1 整体过程

5.1.2 信道参数配置

5.2 主要模块算法及结果分析

5.2.1 随机数生成模块

5.2.2 正余弦值计算模块

5.2.3 正余弦信号发生模块

5.2.4 子径生成模块

5.2.5 SISO生成模块

5.2.6 MIMO生成模块

5.3 资源使用情况分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作

6.2 下一步工作建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

1.发表专利