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《北京交通大学》 2017年
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车对车及毫米波点对点无线信道建模理论与方法

李岩  
【摘要】:面向2020年及未来,第五代无线通信系统(The 5th Generation Mobile Com-munication,5G)将解 决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战。从 5G 的主要技术场景出发,5G不仅需要满足传统移动通信的多样化业务需求,还需要满足低时延高可靠场景的车对车通信和热点区域海量大连接场景的毫米波点对点通信的特殊应用需求。5G新型应用场景的建设离不开车对车及毫米波点对点通信系统的支撑,而二者通信系统的设计则需立足于对典型车对车及毫米波点对点无线信道的深入研究。物理无线信道作为通信发生的媒介,其特性极大地影响着通信系统的性能。因此,在车对车及毫米波点对点通信系统的设计中,需要用信道模型对复杂的无线信道加以描述。尽管人们已经对车对车及毫米波点对点无线信道建模理论与方法开展了大量研究,但是现有研究仍然存在下述局限:从科学研究上看,现阶段针对车对车及毫米波点对点无线信道的研究无法揭示相关场景下电波传播的基本规律;从建模理论与方法上看,现阶段针对车对车及毫米波点对点无线信道建模理论与方法的研究还不足以为系统设计者提供完整的信道模型库。针对上述问题,本文围绕车对车及毫米波点对点通信场景的无线信道建模理论与方法进行了综合性的研究。本文主要工作如下:1)车对车通信场景时变非平稳相关散射信道建模:针对车对车无线信道时变非平稳的特点,基于一阶二状态马尔科夫链,提出了车对车时变非平稳信道模型,描述车对车无线信道的多径生灭过程;针对车对车无线信道相关散射的特点,以Cholesky分解为基础,提出高斯、韦伯和均匀分布相关系数之间的转换关系,建立了车对车相关散射信道模型,弥补了相关信道建模理论研究的不足;以实际测量数据为基础,验证了车对车时变非平稳相关散射信道模型的准确性。2)车对车通信场景三维散射体簇信道建模:针对车对车无线信道散射体快速时变的特点,以泊松分布的散射体簇为基础,提出可视区域的概念,建立了车对车时变非平稳信道模型,描述车对车无线信道的散射体簇动态变化过程;针对车对车无线信道散射体簇建模理论研究的不足,以电波传播的多径几何结构为出发点,建立了车对车多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)信道模型,促进了车对车动态信道建模理论的进一步发展;以实际测量数据为基础,验证了车对车三维散射体簇信道模型的准确性。3)毫米波点对点通信场景衰落信道建模和色散信道建模:针对毫米波点对点无线信道电波传播特性研究的不足,开展了30 GHz频段、1 GHz超宽带,室内和室外场景的毫米波点对点无线信道测量,建立了毫米波点对点室内和室外场景衰落信道模型;针对毫米波点对点无线信道时域和空域特性研究的不足,采用旋转接收天线的测量方式扫描不同方向的水平接收信号,萃取时域和空域典型信道参数,建立了毫米波点对点室内和室外场景色散信道模型,提升了信道参数萃取以及模型建立的科学性。4)毫米波点对点通信场景规则几何信道建模:针对毫米波点对点无线信道几何建模理论研究的不足,提出了二维双圆几何模型,描述毫米波点对点无线信道二维分布的散射体;在此基础上,进而提出了三维双圆柱和三维双球规则几何模型,建立了毫米波点对点MIMO信道模型;深入研究了毫米波点对点无线信道空时相关特性,为后续毫米波点对点无线信道模型的扩展和应用奠定了理论基础。综上所述,本文围绕车对车及毫米波点对点无线信道建模理论与方法开展了研究。在研究对象层面为车对车及毫米波点对点通信在5G中的应用提供了电波传播预测工具;在方法论层面为不同场景中的无线信道建模提供了可移植和转化的方法;在应用层面为车对车及毫米波点对点通信系统的网络规划、信息可靠传输奠定了基础。
【关键词】:车对车通信 毫米波点对点通信 无线信道测量 无线信道建模
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN929.5
【目录】:
  • 致谢5-7
  • 摘要7-9
  • ABSTRACT9-17
  • 缩略语17-18
  • 常用数学符号18-19
  • 1 绪论19-39
  • 1.1 研究背景与意义19-23
  • 1.1.1 车对车及毫米波点对点通信研究背景19-20
  • 1.1.2 车对车及毫米波点对点通信系统概述20-22
  • 1.1.3 车对车及毫米波点对点通信场景无线信道建模的研究意义22-23
  • 1.2 无线信道建模理论与方法研究现状23-27
  • 1.2.1 电波传播机制23-24
  • 1.2.2 无线信道建模方法24-27
  • 1.3 车对车及毫米波点对点通信场景无线信道建模研究现状27-35
  • 1.3.1 车对车通信场景无线信道建模研究现状27-31
  • 1.3.2 毫米波点对点通信场景无线信道建模研究现状31-34
  • 1.3.3 车对车及毫米波点对点通信场景无线信道建模研究不足34-35
  • 1.4 主要工作与创新点35-36
  • 1.5 章节安排36-39
  • 2 车对车通信场景时变非平稳相关散射信道建模39-55
  • 2.1 引言39-40
  • 2.2 相关工作综述40-41
  • 2.3 车对车通信场景时变非平稳信道建模41-44
  • 2.3.1 TDL模型41-42
  • 2.3.2 时变非平稳信道建模42-44
  • 2.4 车对车通信场景相关散射信道建模44-48
  • 2.4.1 深衰落信道建模44-45
  • 2.4.2 相关散射信道建模45-48
  • 2.5 车对车通信场景时变非平稳相关散射信道模型仿真验证48-54
  • 2.5.1 实际信道测量数据48-49
  • 2.5.2 时变非平稳相关散射信道仿真模型49-50
  • 2.5.3 仿真结果与分析50-54
  • 2.6 本章小结54-55
  • 3 车对车通信场景三维散射体簇信道建模55-73
  • 3.1 引言55-56
  • 3.2 相关工作综述56-57
  • 3.3 车对车通信场景三维散射体簇模型57-60
  • 3.3.1 散射体簇建模57-59
  • 3.3.2 时变非平稳信道建模59-60
  • 3.4 车对车通信场景无线信道多径几何结构建模60-66
  • 3.4.1 基于散射体簇与多径几何结构的MIMO信道建模60-65
  • 3.4.2 空时频相关特性研究65-66
  • 3.5 车对车通信场景三维散射体簇信道模型仿真验证66-72
  • 3.5.1 实际信道测量数据66-67
  • 3.5.2 三维散射体簇信道模型仿真结果与分析67-72
  • 3.6 本章小节72-73
  • 4 毫米波点对点通信场景无线信道测量与建模73-95
  • 4.1 引言73-74
  • 4.2 相关工作综述74-75
  • 4.3 毫米波点对点通信场景无线信道测量75-81
  • 4.3.1 毫米波点对点无线信道测量系统75-77
  • 4.3.2 毫米波点对点无线信道测量场景77-79
  • 4.3.3 测量数据校准和预处理79-81
  • 4.4 毫米波点对点通信场景无线信道衰落建模81-88
  • 4.4.1 室内和室外场景路径损耗建模81-84
  • 4.4.2 室内和室外场景阴影衰落建模84-85
  • 4.4.3 室内和室外场景小尺度衰落建模85-87
  • 4.4.4 室内和室外场景莱斯K因子建模87-88
  • 4.5 毫米波点对点通信场景无线信道色散建模88-93
  • 4.5.1 室内和室外场景时延角度功率谱88-90
  • 4.5.2 室内和室外场景时间色散特性90-92
  • 4.5.3 室内和室外场景空间色散特性92-93
  • 4.6 本章小结93-95
  • 5 毫米波点对点通信场景无线信道规则几何建模95-117
  • 5.1 引言95-96
  • 5.2 相关工作综述96-97
  • 5.3 毫米波点对点通信场景无线信道二维双圆几何建模97-104
  • 5.3.1 二维双圆几何架构97-100
  • 5.3.2 基于二维双圆几何架构的MIMO信道建模100-102
  • 5.3.3 空时相关特性研究102-104
  • 5.4 毫米波点对点通信场景无线信道三维双圆柱几何建模104-111
  • 5.4.1 三维双圆柱几何架构104-107
  • 5.4.2 基于三维双圆柱几何架构的MIMO信道建模107-110
  • 5.4.3 空时相关特性研究110-111
  • 5.5 毫米波点对点通信场景无线信道规则几何模型仿真验证111-116
  • 5.5.1 规则几何模型仿真参数112
  • 5.5.2 规则几何模型仿真结果与分析112-116
  • 5.6 本章小结116-117
  • 6 总结与展望117-121
  • 6.1 论文工作总结117-119
  • 6.2 不足与展望119-121
  • 参考文献121-129
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果129-135
  • 学位论文数据集135

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