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面向Beyond IMT-Advanced系统的宽带无线移动信道特性及建模研究

田磊  
【摘要】:随着第四代移动通信系统(4G)的逐步商用,面向Beyond IMT-Advanced系统,即第五代移动通信系统(5G)的研究已成为学术界和工业界广泛讨论的热点。5G系统提出了更高的指标,一方面需要支持数十Gbps的数据传输峰值速率,毫秒级的端到端时延,另一方面要提升5至10倍的频谱效率和百倍以上的系统能效。为了满足这些需求,新的应用场景和通信技术逐渐涌现。无线信道测量与建模作为新场景下通信技术研究与评估,系统部署与优化的前提,是必要和先行的基础性工作。本论文主要面向Beyond IMT-Advanced系统,针对高速铁路和设备间通信(D2D)场景进行了信道测量和建模,并基于多天线衰落信道特性,利用天线选择,提高了系统的定时同步精度。论文的主要工作和创新点包括: ·高速铁路的宽带无线信道传播特性及建模研究。高速铁路场景已经成为了未来移动通信系统的重要应用场景之一,而由于高速列车移动速度快,难于上车实测等因素,使得针对高铁宽带信道的测量及其信道特性的研究相对匮乏。本文针对高速铁路的两类典型场景——高架桥和U型槽,在200km/h时速的郑西高铁线上进行了2.35GHz中心频率、50MHz带宽的宽带无线信道测量,采集了将近百万个信道样本,较为全面的研究了高铁宽带无线信道特性。基于实测数据,分析了这两类典型场景下无线宽带信道的大尺度衰落特性,建立了路径损耗和阴影衰落模型;给出了莱斯因子的统计分布参数,建立了其随收发端距离变化的线性模型;重点分析了宽带系统中重要的时延域统计特性,采用r分布和Log-normal分布刻画了多径数目和均方根时延扩展的统计特性,并建立了时延扩展随距离的变化的线性模型;研究了信道的多普勒频移特征,得到了多普勒最大频移的变化趋势。最后,基于高铁信道的特性分析结果,提出适用于高铁信道的仿真方法。 ·高速铁路信道的非平稳特性研究。高铁列车及散射体的高速移动引起的信道的时变性相比传统蜂窝网络更加严峻,而基于传统的低速平稳的假设而建立的模型已经不适用,因此研究高速铁路的非平稳特性是十分有意义的。本文采用非平稳随机信号的分析方法,定义了时变信道的非平稳特性度量——非平稳度。并给出了基于实际测量得到的信道冲激响应,计算宽带时变信道的非平稳度的方法。进一步利用高速铁路U型槽场景得到的信道数据,验证了利用非平稳度衡量高铁信道非平稳特性的有效性。 ·D2D通信室外场景的宽带无线信道特性研究。设备间通信(D2D)由于其收发端天线高度低等特征,与传统蜂窝网的传播环境有明显区别,且缺少基于测量的信道模型进行仿真评估。本文定义了两类D2D通信室外场景,开阔区和街道场景,并进行了宽带无线信道测量。基于实测数据,分析了两类场景中,在视距、阻挡视距和非视距不同传播条件下的路径损耗、阴影衰落、莱斯K因子、有效多径数目和时延域特征参数等无线信道特性。通过建立实测路径损耗和阴影衰落模型,发现实测路径损耗要高于3GPP目前建议使用的D2D模型。在街道场景视距条件下,莱斯K因子由于“波导效应”,统计均值达到13dB,远远高于3GPP的建议模型。实测的均方根时延扩展的统计分布相比传统的Log-normal分布更加符合Log-logistic分布,并且统计均值远远大于第三代合作计划(3GPP)建议使用的ITU-R M.2135UMi场景中的数值。最后,基于实测分析结果,给出了3GPP的D2D室外信道模型的仿真建议。 ·MIMO-OFDM系统的定时同步方案研究。多输入多输出—正交频分复用(MIMO-OFDM)系统对同步误差极其敏感,定时同步在接收机的设计中十分重要。本文利用多天线衰落信道,提出了发射端采用选择性传输(ST)选择信噪比好的天线发送同步序列,接收端采用最大比合并(MRC)提高同步精度的ST/MRC联合方案进行定时同步。在平坦衰落信道下,定义了正确定时概率(CTP),并推导了ST/MRC、ST.最大比传输(MRT)和MRC多种方案在不同天线配置情况下,CTP和错误定时概率(ETP)的闭式表达式和近似表达式,并给出不同方案的ETP理论值与仿真结果,验证了ST/MRC方案在平坦衰落信道下的性能优越性。更进一步的,研究了多径衰落信道下,所提出的ST/MRC方案的定时同步性能,通过计算机仿真,比较了多种方案在多径衰落信道中,不同天线配置下的CTP性能,证明了ST/MRC方案的优越性。 综上所述,本论文面向Beyond IMT-Advanced系统,针对高速铁路和D2D两种新型场景,进行了宽带无线信道测量,基于实测数据对信道的大尺度、小尺度特性以及时变特性进行了分析和建模。测量和分析的结果可以为未来移动通信技术评估和系统部署提供参考。此外,针对MIMO-OFDM系统中的定时同步问题,提出了ST/MRC方案,有效改善了定时同步的性能。并且在实际应用中,该方案能够减少定时同步过程中使用的射频链路的数目,从而降低系统的复杂度。


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