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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。
【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

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