M2M MIMO宽带无线信道模型和特性研究

摘要

无线移动端到移动端(Mobile-to-Mobile，M2M)信道建模是第四代和第五代通信系统协同通信中的关键技术，信道模型在评估物理层传输技术中必不可少，是通信系统链路和系统仿真及设计的基础。M2M通信在移动自组织网络，基于移动中继的蜂窝网络和智能交通系统中起着重要作用。在发射端(Transmitter，Tx)和接收端(Receiver，Rx)采用多个天线的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术可以大大地提高链路可靠性和整体系统容量。在M2M通信系统中，收发两端均置于环境中、等高且都处在运动中。这与只有一个终端移动的传统的固定端到移动端(Fixed-to-Mobile，F2M)的蜂窝系统不同。而且现有M2M通信的研究大多是关于窄带信道特性，对于宽带信道的研究非常匮乏。因此，本文致力于M2M通信系统的MIMO宽带信道的建模和仿真，所提出的信道建模和信道实现方法对于无线M2M MIMO宽带通信系统的设计、链路与系统级仿真和传输新技术性能评估等具有重要意义。
　　鉴于基于几何的随机建模方法便于理论分析和数学处理，本文根据电波传播理论建立了基于空间几何基础上的统一坐标下的随机模型，该模型与阵列Ⅱ向应、时延、多普勒频移、离开角(Angle-of-Departure，AoD)和到达角(Angle-of-Arrival，AoA)等信道参数有关。结合已建立的空间几何模型和在不同环境下的信道参数，实现信道仿真，以此来研究信道参数的统计规律及其信道的传播特性，并将仿真结果与现有的理论结果和实验结果进行对比来修正和完善信道模型。本文的主要工作和创新点如下:
　　(1)建立了用于M2M MIMO宽带信道的双环几何随机散射模型，并将载频带宽引入信道模型中，构建了信道矩阵。基于实现的信道，进一步研究了M2M MIMO宽带信道在大尺度参数不同条件下的特性和参数，如功率延迟分布(Power-Delay-Profile，PDP)、均方根(root mean square，rms)时延扩展等。
　　(2)在双环几何模型的基础上，提出了用于M2M MIMO宽带信道比其它二维(Two-Dimensional，2D)几何散射模型更加通用的多环和多椭圆结合的几何模型，并且使用了2D MIMO交叉极化天线。基于提出的信道模型和实现信道，进一步比较分析了载频分别为2和5 GHz，带宽为100MHz时视距(Line-of-Sight，LOS)和非视距(Non-Line-of-Sight，NLOS)场景下的宽带信道特性和参数。
　　(3)提出了一种用于车到车(Vehicle-to-Vehicle，V2V) MIMO宽带信道的几何动态街道散射模型。假设街道两边的静态散射体分布在时变的椭圆上，移动散射体分布在时变路段上，并且静态散射体和移动散射体的个数也是随环境变化的。对相对低速和高速的移动散射体进行了分析研究，并与只有固定散射体的情形进行了对比。
　　(4)将基于三维(Three-Dimensional，3D)双柱体的窄带随机散射模型扩展到宽带并将载频带宽引入到该3D模型中。基于得到的M2M MIMO宽带信道模型和实现的信道分析研究了该模型的信道特性并与2D双环模型进行了对比。
　　(5)提出了一个适用于M2M MIMO宽带信道的基于双柱体和多圆环结合的几何随机散射信道模型，3D双柱体用来模拟固定散射体，2D多圆环用来模拟移动散射体，模型中使用了更为普遍的3D MIMO交叉极化天线。由于V2V传播信道的非稳定性，根据提出的几何模型和实现的信道进一步研究了其时变信道特性和参数。
　　(6)建立了用于V2V MIMO宽带非视距中继系统的三柱体随机散射模型。发射信号在从源移动台到目的移动台过程中经由移动中继放大和转发(Amplify-and-Forward，AF)。本文首次分析了基于中继的协同网络的M2M宽带信道特性和信号幅度分布规律。
　　(7)提出了移动散射体存在的2D和3D V2V无线传播信道模型，考虑了经由移动散射体碰撞产生的一次散射发射(Single-Bounce Transmit，SBT)、一次散射接收(Single-Bounce Receive，SBR)和二次散射(Double-Bounce，DB)分量，给出了传播信道的复增益，通过计算得到了信道的自相关函数(Auto-Correlation Function，ACF)和多普勒功率谱密度(Doppler Power SpectralDensity，D-PSD)。

目录

声明

摘要

常用缩略语

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．2 MIMO信道模型

1．2．1 MIMO信道模型分类

1．2．2 MIMO信道模型的标准化

1．3 国内外研究现状和分析

1．4 论文的主要工作和贡献

1．5 论文组织结构

第2章 无线传播信道

2．1 引言

2．2 信道特性

2．2．1 确定性时变系统

2．2．2 随机性时变系统

2．3 WSSUS和非WSSUS信道

2．4 信道统计参数和特征函数

2．5 基于相关的随机信道模型和基于几何的随机信道模型

2．5．1 基于相关的随机信道模型

2．5．2 基于几何的随机信道模型

2．6 本章小结

第3章 基于几何基础的2D M2M MIMO宽带信道模型

3．1 引言

3．2 双环随机散射模型

3．2．1 频率非选择性模型

3．2．2 频率选择性模型

3．2．3 散射方案和参数计算方法

3．2．4 仿真模型和信道实现

3．2．5 仿真结果及分析

3．3 基于多圆环和多椭圆结合的随机散射模型

3．3．1 频率选择性模型

3．3．2 仿真模型和信道实现

3．3．3 仿真结果和分析

3．4 基于几何的动态街道模型

3．4．1 移动散射体的速度分布

3．4．2 频率选择性模型

3．4．3 仿真模型和信道实现

3．4．4 仿真结果和分析

3．5 本章小结

第4章 基于几何基础的3D M2M MIMO宽带信道模型

4．1 引言

4．2 基于双柱体的随机散射模型

4．2．1 频率选择性模型

4．2．2 仿真模型和信道实现

4．2．3 仿真结果和分析

4．3 基于双柱体和多环结合的几何随机散射模型

4．3．1 频率选择性模型

4．3．2 仿真模型和信道实现

4．3．3 仿真结果和分析

4．4 基于三柱体的随机散射模型

4．4．1 频率选择性模型

4．4．2 仿真模型和信道实现

4．4．3 仿真结果和分析

4．5 本章小结

第5章 移动散射体下的V2V信道相关性和多普勒谱特性研究

5．1 引言

5．2 2D V2V信道的自相关函数和多普勒功率谱密度

5．2．1 一次散射几何模型

5．2．2 二次散射几何模型

5．2．3 基于一次散射，二次散射和视距分量的几何模型

5．2．4 数值结果和分析

5．3 3D V2V信道的自相关函数和多普勒功率谱密度

5．3．1 3D V2V信道几何模型

5．3．2 3D V2V信道的自相关函数

5．3．3 3D常规几何模型的自相关函数

5．3．4 数值结果和分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文工作总结

6．2 下一步工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介