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《上海交通大学》 2009年
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宽带无线信道建模方法研究与应用

罗志年  
【摘要】: 无线信道的基本特性是多径传播,到达的无线电信号由于不同的传播路径具有不同的衰减、Doppler频移、到达时间和来波方向,并在接收端线性矢量叠加,从而造成接收信号的时间扩散、频率扩散以及空间角度扩散。因此,无线信道是一个时变的多径衰落信道,会引入相当程度的干扰、失真和噪声,并最终影响通信系统构架和设计方法。为此论文首先介绍了作者在博士期间对信道建模方面的一些重要研究,然后以TD-SCDMA为基础讨论了信道建模在无线系统设计方面的一些应用问题。 无线信道模型是以数学表达式或算法形式来表征信道输入-输出关系的一个多变量随机过程,一般是通过大量的测量或基于实际的电磁波传播理论推导出来的,需要用统计的方法来分析和表征。无线信道的建模通常分两步来实现,分别为大尺度(宏观)和小尺度(微观)效应。论文重点研究了无线信道小尺度衰落建模与仿真,具体内容如下。 论文第二章首先推导了无线信道数学表达式,介绍了大尺度路径损耗模型最新的相关研究结果,然后将Bello提出的WSSUS模型对空域进行了扩展,讨论了空间信道在时域、频域和空域的统计表征方法。 论文第三章归纳了四种SOS法生成单抽头平坦Rayleigh衰落信道的方法,通过分析确定了第二种方法同时具有各态历经和平稳的特性。对FIR法生成经典Jakes谱的理论进行了详细的推导,讨论了AR方法阶数过高的固有缺点。最后提出了一种生成多个不相关Rayleigh衰落波形的方法,这种方法只使用了一个随机变量来完成所有波形的Doppler频率设置,适合多个不相关Rayleigh衰落波形的生成,可用于WSSUS无线信道和MIMO信道的仿真实现。 论文第四章提出了一种基于频域设计的IIR滤波器生成无线衰落信道的方法。IIR滤波器通过LMS算法进行优化,可以用低阶的滤波器来实现,并采用线性插值和抽取的方法来实现任意带宽的时变信道。其中线性插值和抽取的方法也可以有效地用于AR滤波等其他方法,可大大降低所需滤波器的阶数。与其他方法相比,新方法不仅适合于非均匀散射环境,也适合生成多个不相关Rayleigh衰落信道,可以结合MIMO系统或者WSSUS系统进行系统设计和仿真。 论文第五章首先介绍了MIMO信道的建模方法和模型。然后提出了一种基于Fourier变换计算空间相关系数的方法,用这种方法求得的相关系数具有闭合解形式,而且计算方法非常简单,具有明确的物理意义,避免了计算传统空间相关系数复杂的Bessel函数积分,可用于动态MIMO系统仿真与设计。运用新方法提出了一种简单高效的MIMO无线信道仿真模型,并对基于ULA和UCA多天线系统的信道容量与不同来波方向的关系做了详细的讨论和比较,仿真表明UCA容量对于方向具有一定的均匀性,更适合系统的优化设计。 论文第六章主要以作者本人实际工作内容为基础讨论了无线信道建模在无线系统设计中的一些实际应用。在大尺度建模方面以TD-SCDMA通信系统为基础首先详细分析了TDD系统特有的干扰问题即基站间干扰,同时介绍了基站间干扰分析的一些理论和仿真结果。在小尺度建模方面,3GPP采用的是前面第三章和第四章所介绍的建模方法,即对于SISO信道,每个抽头一般建模为Jakes谱的随机过程,不同抽头建模为不相关。因此第二部分提出了一种用于TD-SCDMA移动通信系统的信道估计改进方法。TD-SCDMA系统中采用Steiner信道估计器,这种估计器实质上是基于最小二乘的估计,忽视了信道噪声的影响,而信道的噪声对估计精度不可忽略。利用TD-SCDMA为慢变信道的特征,提出了一种基于时延相关信道估计改进方法,同时对Steiner估计器进行门限滤波,滤除了大部分噪声抽头。另外,利用TD-SCDMA系统智能天线估计的来波方向(DOA)信息可进一步对信道估计进行干扰消除。因为DOA信息是通过智能天线系统完成的,所以本方法并没有实质增加系统的复杂度。仿真表明改进的信道估计对性能有很大的改善与提高,甚至在高速移动传播环境下可以达到3.6dB的增益。 论文最后对现代无线信道建模的研究进行了一些展望,并介绍了下一步的研究方向。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN925

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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