高速铁路场景下LoS MIMO信道的天线优化方法

摘要

近年来，随着LTE-R系统的提出，如何在高速铁路场景下发挥MIMO技术的性能是高速铁路无线通信系统研究的热点问题之一。直射路径存在于大部分高速铁路场景中，但直射路径一直被视为MIMO技术发挥优势的限制条件，因为它会使信道的相关性增强，导致信道矩阵秩的降低。但是，Sarris和A.R.Nix提出了通过通过优化天线间距的方法来保持LoS MIMO空间子信道的正交性。此方法为MIMO技术在高速铁路场景下的有效使用提供了理论依据。
　　本文的创新点是推导了适合于高速铁路场景的最大容量准则，并根据该准则设计了优化天线阵和天线阵优化方法，分别在在分析信道和接近于真实高速铁路场景的信道模型中仿真研究该优化方法的性能。
　　通过优化天线阵在确定性LoS信道和莱斯信道下的性能研究，可知优化天线阵的使用可以很大程度的提高信道的容量，但是该优化结构的设计是有一个固定的最优位置，当天线阵偏离最优位置小段距离范围时，容量基本保持不变，但是如果移位很大，容量会有很大的起伏，可知在大范围内使用单一架构的优化天线阵是不可行的。因此，为了保证蜂窝小区内信道容量的稳定，提出了天线阵的优化方法，实时调整天线阵方法和分段调整天线阵方法。同时，还分析散射多径对于不同秩的信道矩阵的容量影响。为了更好的反映真实高速铁路场景下无线信道的特征，使用WINNERⅡ D2a场景下的信道模型分析优化天线阵和天线阵优化方法在高速铁路场景下的性能，研究优化天线阵和天线阵优化方法在高速铁路场景下的适用性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外发展现状

1．3 论文主要工作与结构

2 高速铁路场景下LoS MIMO信道模型背景知识

2．1 无线信道概述

2．1．1 大尺度衰落

2．1．2 小尺度衰落

2．2 高速铁路场景的划分

2．2．1 高架桥场景

2．2．2 路堑场景

2．2．3 隧道场景

2．2．4 铁路车站场景

2．3 经典MIMO信道模型

2．3．1 MIMO信道模型分类

2．3．2 Kronecker模型

2．3．3 特征波束模型

2．3．4 通用信道模型

2．4 高速铁路场景下的LoS MIMO信道建模

2．4．1 WINNER Ⅱ D2a信道模型

2．5 本章小结

3 基于最大容量准则的LoS MIMO优化天线阵

3．1 MIMO系统的信道容量

3．1．1 MIMO信道

3．1．2 MIMO信道的容量

3．2 MIMO系统中天线阵对信道容量的影响

3．2．1 MIMO系统中天线个数对信道容量的影响

3．2．2 MIMO系统中天线间距和极化特性对信道容量的影响

3．3 高速铁路的仿真场景描述

3．4 LoS MIMO的优化天线阵

3．5 本章小结

4 LoS MIMO优化天线阵在分析信道模型下的性能研究

4．1 引言

4．2 LoS MIMO优化天线阵在确定性LOS信道和莱斯信道下的性能研究

4．2．1 在确定性LoS信道不同信噪比下的性能

4．2．2 存在多径散射的莱斯信道下的性能

4．2．3 在确定性LOS信道和莱斯信道下偏移的影响

4．3 LoS MIMO天线阵优化方法

4．3．1 实时调整天线阵方法

4．3．2 分段调整天线阵方法

4．4 本章小结

5 LoS MIMO天线阵优化方法在高速铁路场景下的性能研究

5．1 LoS MIMO优化天线阵在高速铁路场景下的性能研究

5．1．1 在高速铁路场景不同信噪比下的性能

5．1．2 在高速铁路场景不同莱斯因子下的性能

5．1．3 在高速铁路场景下偏移的影响

5．2 分段调整天线阵方法在高速铁路场景下的性能研究

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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