空时非平稳无线信道特性分析与建模方法研究

摘要

面向2020年及以后移动数据流量爆炸式的增长、海量物联网设备的连接以及垂直行业各类新业务与新场景的需求，第五代移动通信系统(The5th Generation Mobile Communication，5G)应运而生，并用于解决多样化场景中不同性能指标所带来的挑战。5G中的增强移动宽带场景致力于解决蜂窝架构下信号的广域覆盖和局部热点区域的极高数据速率需求，高可靠低时延通信场景则主要面向智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)等对时延要求极其敏感的场景。这两类5G新型场景的建设离不开大规模多天线及车对车无线通信系统的支撑。
　　无线信道的电波传播特性直接影响了无线通信系统的传输速率和传输质量，因此被认为是无线通信系统设计的基础，而针对大规模多天线及车对车无线信道传播特性的准确认知也成为了二者无线通信系统设计的前提条件。尽管人们分别对大规模多天线及车对车无线信道的传播特性与建模方法开展了大量研究，但是现有研究仍然存在下述局限:从研究场景上看，现阶段针对大规模多天线与车对车无线信道的研究所涵盖的场景还不足以为通信系统的网络规划和系统设计提供完善的传播模型库;从对传播特性的认识上看，现阶段针对大规模多天线与车对车无线信道中非平稳特性的研究较为薄弱;从建模理论和方法上看，现阶段针对大规模多天线与车对车无线信道建模的研究无法满足通信系统上层设计对于模型复杂度和通用性的要求。
　　针对上述问题，本文围绕大规模多天线与车对车通信场景的空时非平稳无线信道开展了电波传播特性分析与建模方法研究。本文主要工作如下:
　　1)针对大规模多天线信道的空间非平稳特性，于室内大型报告厅场景开展了不同频段基于虚拟天线阵列的大规模多天线信道测量。提出了大规模多天线信道参数联合萃取算法的改进方案，提升了多径参数萃取的准确度。基于共线性矩阵理论提出了大规模多天线信道空间准平稳区间的估计方法，并基于电波传播多径分量的分簇方法以及多径簇的功率贡献，提出了空间非平稳特性的表征方法，揭示了大规模多天线信道空间非平稳特性的本质。
　　2)针对大规模多天线信道空间非平稳建模研究的不足，于地铁车站场景开展了不同收发天线距离条件下的大规模多天线信道测量，通过统计性的方法建模了宽带信道参数的空间非平稳特性。基于射线跟踪仿真和大规模多天线信道测量，揭示了点对点通信场景与大规模多天线通信场景中不同参数的统计特性随收发天线距离的变化规律，建立了大规模多天线信道基于通信链路距离的空间非平稳模型。
　　3)针对车对车通信信道中车辆遮挡场景研究的不足，于城区和高速公路场景提出了无线信道测量的方案。探讨了不同场景、不同遮挡车辆以及不同车辆相对行驶位置对于车辆遮挡损耗与信道时延色散特性的影响。提出了不同条件下车对车信道时间非平稳特性的表征方法以及平稳距离的估计方法，构建了平稳距离与车辆遮挡损耗、信道时延色散之间的联系。
　　4)针对车对车场景时间非平稳信道建模研究的不足，于郊区场景开展了车对车的多天线信道测量。提出了一种针对时变信道多径分量的分簇与跟踪算法，描述了车对车信道中多径簇的动态变化过程，并基于射线跟踪仿真器与现有信道模型验证了算法的准确性。在此基础上，建立了车对车通信场景基于多径簇的时间非平稳信道模型，促进了动态信道建模理论的进一步完善。
　　综上所述，本文围绕大规模多天线与车对车通信场景的无线信道开展研究，弥补了典型场景中信道特性分析与建模的研究不足，揭示了大规模多天线空间非平稳信道与车对车时间非平稳信道的本质，为5G不同场景中的无线信道建模提供了具有参考价值的理论方法。

目录

声明

致谢

摘要

插图索引

表格索引

缩略语

常用数学符号

1 绪论

1．1研究背景与意义

1．1．1大规模多天线通信系统概述

1．1．2车对车通信系统概述

1．1．3大规模多天线与车对车通信系统无线信道研究的意义

1．2大规模多天线与车对车通信系统无线信道研究现状

1．2．1大规模多天线无线信道测量研究现状

1．2．2大规模多天线无线信道建模研究现状

1．2．3车对车无线信道测量研究现状

1．2．4车对车无线信道建模研究现状

1．2．5研究不足

1．3主要创新工作与章节安排

1．3．1主要创新工作

1．3．2章节安排

2大规模多天线信道的空间非平稳特性分析

2．1 引言

2．2相关工作综述

2．3室内大型报告厅场景大规模多天线的信道测量

2．3．1测量场景与系统

2．3．2测量数据校准和预处理

2．3．3测量的基本结果

2．3．4大规模多天线信道的空间非平稳特性

2．4大规模多天线信道的多径参数萃取方法

2．4．1 SAGE算法的原理及其改进方法

2．4．2多径参数萃取结果

2．5大规模多天线信道空间非平稳特性的表征方法

2．5．1基于共线性的空间非平稳特性表征

2．5．2基于功率贡献的空间非平稳特性表征

2．6本章小结

3 大规模多天线信道基于距离的空间非平稳参数建模

3．1 引言

3．2相关工作综述

3．3点对点通信场景基于距离的信道仿真与分析

3．3．1 基于射线跟踪法的信道仿真

3．3．2射线跟踪仿真器的验证

3．3．3点对点通信场景基于距离的信道衰落特性

3．4地铁车站场景大规模多天线的信道测量

3．4．1测量场景与系统

3．4．2测量的基本结果

3．5大规模多天线信道的空间非平稳参数建模

3．5．1 大规模多天线信道增益的建模

3．5．2大规模多天线信道RMS时延扩展的建模

3．5．3大规模多天线信道莱斯K因子的建模

3．6本章小结

4车辆遮挡条件的车对车信道时间非平稳特性分析

4．1 引言

4．2相关工作综述

4．3车对车通信场景车辆遮挡条件下的信道测量

4．3．1 测量场景

4．3．2测量系统与参数

4．3．3测量方式

4．4车对车通信场景车辆遮挡条件下的信道衰落特性

4．4．1测量数据预处理

4．4．2城区场景的衰落特性

4．4．3高速公路场景的衰落特性

4．4．4车辆损耗的分析

4．5车对车通信场景车辆遮挡条件下的信道时间非平稳特性

4．5．1 车对车信道时间非平稳特性的表征方法

4．5．2车对车信道时间非平稳特性的分析

4．6本章小结

5基于多径簇的车对车时间非平稳信道建模

5．1 引言

5．2相关工作综述

5．3车对车通信场景的多天线信道测量

5．3．1测量场景与系统

5．3．2信道参数的萃取

5．4车对车通信场景时变多径的分簇与跟踪

5．4．1分簇与跟踪算法

5．4．2算法的验证

5．5车对车通信场景基于多径簇的时间非平稳建模

5．5．1 时变多径的分簇与跟踪

5．5．2多径簇问参数的建模

5．5．3多径簇内参数的建模

5．5．4模型验证

5．6本章小结

6总结与展望

6．1论文工作总结

6．2不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文与其他成果

学位论文数据集