论文部分内容阅读
近年来,伴随无线通信业务以及新兴宽带移动互联网接入技术的快速发展,无线通信系统的优化问题显得至关重要。而在设计高性能和高频谱效率的无线通信系统时,需要充分理解无线信道的传输性能。在第五代(The Fifth Generation, 5G)移动通信技术中,大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)和车与车(Vehicle-to-Vehicle, V2V)无线通信技术充分体现出其发展优势。大规模MIMO系统的性能主要依赖于无线衰落信道以及收发阵列天线,无线信道的特性对于信号传输存在有很大的影响。因此在无线通信场景中,对信号在发射端和接收端之间的传输环境中进行信道建模也就显得非常必要。本文主要围绕V2V移动通信场景和高空对地面(Air-to-Ground, A2G)的移动通信场景展开分析,深入研究无线信道模型,为MIMO和大规模MIMO系统性能的分析奠定理论基础。本文的研究工作主要包含以下四个方面:
首先针对城市街道的移动通信环境,提出了V2V虚拟散射几何信道模型,将多径传输路径细分为奇数次反射路径和偶数次反射路径。通过推导发射端(Mobile Transmitter, MT)和接收端(Mobile Receiver, MR)信号的空时联合分布函数及边缘概率密度函数,分析和比较了散射体在不同通信场景下的空时统计特性。数值仿真由于MT和MR的运动而产生的多普勒频移,从时域角度扩展到频域角度去分析所提出的信道模型的传输性能。仿真结果与现有文献中的经典信道模型和实验数据相吻合,表明提出的虚拟散射信道模型能够准确地描述实际V2V城市街道移动通信环境。
接着引入水平街道对于信道传输性能的影响,构建非规则几何信道模型来描述城市街道下的移动通信环境。分析散射体的移动方向和移动速度对于信道传输特性的影响。仿真结果表明通过适当调节散射体的分布参数,所提出的信道模型能够准确地描述室外宏小区以及室内微小区等各种移动通信环境,进而能够更为有效地描述5G车载无线通信系统的传输性能。
其次构建三维(Three Dimensional, 3D)非平稳几何信道模型,采用双圆柱模型描述发射端和接收端附近运动车辆的分布,采用3D半椭球体描述路边建筑物的分布。基于上述模型,我们能够分析信号经历不同传输时延下的信道特性。在信道模型的性能分析中,分析上行和下行传输链路的空间统计特性。细化对于MT和MR传输路径的空间角度,推导信号在水平面以及竖直面上的概率密度函数;分析了信号经过MT或者MR附近的运动车辆,以及经过路边建筑物反射时的空间传输特性。此外,研究由于MT和MR的运动而产生的多普勒频移。通过数值仿真结果与现有文献中的实验结论进行对比,表明本模型的信道参数估计结果符合理论和经验,扩展了3D空间非平稳信道模型的研究和应用。
最后提出一种角度估计算法来分析A2G信道模型的时变特性。提出了一种实时有效的角度估计算法,首先通过估计无人机(Unmanned Aerial Vehicles, UAV)发射端和MR在初始状态下的角度参数,接着结合初始状态下估计的角度参数以及UAV/MR的运动速度、方向和时间,估算UAV和MR在实时阶段的角度参数,能够有效地用来描述实际的A2G移动通信环境。数值仿真上述信道模型中不同传输路径间的空间互相关特性,仿真结果从科学的角度阐述了A2G信道的时变非平稳特性,并更为准确地实现对UAV对地面用户时变信道多径结构动态变化的模拟,丰富了动态信道的建模理论。此外,上述角度估计算法能够有效地运用到其它移动通信场景中,扩展了5G移动通信技术的研究。
首先针对城市街道的移动通信环境,提出了V2V虚拟散射几何信道模型,将多径传输路径细分为奇数次反射路径和偶数次反射路径。通过推导发射端(Mobile Transmitter, MT)和接收端(Mobile Receiver, MR)信号的空时联合分布函数及边缘概率密度函数,分析和比较了散射体在不同通信场景下的空时统计特性。数值仿真由于MT和MR的运动而产生的多普勒频移,从时域角度扩展到频域角度去分析所提出的信道模型的传输性能。仿真结果与现有文献中的经典信道模型和实验数据相吻合,表明提出的虚拟散射信道模型能够准确地描述实际V2V城市街道移动通信环境。
接着引入水平街道对于信道传输性能的影响,构建非规则几何信道模型来描述城市街道下的移动通信环境。分析散射体的移动方向和移动速度对于信道传输特性的影响。仿真结果表明通过适当调节散射体的分布参数,所提出的信道模型能够准确地描述室外宏小区以及室内微小区等各种移动通信环境,进而能够更为有效地描述5G车载无线通信系统的传输性能。
其次构建三维(Three Dimensional, 3D)非平稳几何信道模型,采用双圆柱模型描述发射端和接收端附近运动车辆的分布,采用3D半椭球体描述路边建筑物的分布。基于上述模型,我们能够分析信号经历不同传输时延下的信道特性。在信道模型的性能分析中,分析上行和下行传输链路的空间统计特性。细化对于MT和MR传输路径的空间角度,推导信号在水平面以及竖直面上的概率密度函数;分析了信号经过MT或者MR附近的运动车辆,以及经过路边建筑物反射时的空间传输特性。此外,研究由于MT和MR的运动而产生的多普勒频移。通过数值仿真结果与现有文献中的实验结论进行对比,表明本模型的信道参数估计结果符合理论和经验,扩展了3D空间非平稳信道模型的研究和应用。
最后提出一种角度估计算法来分析A2G信道模型的时变特性。提出了一种实时有效的角度估计算法,首先通过估计无人机(Unmanned Aerial Vehicles, UAV)发射端和MR在初始状态下的角度参数,接着结合初始状态下估计的角度参数以及UAV/MR的运动速度、方向和时间,估算UAV和MR在实时阶段的角度参数,能够有效地用来描述实际的A2G移动通信环境。数值仿真上述信道模型中不同传输路径间的空间互相关特性,仿真结果从科学的角度阐述了A2G信道的时变非平稳特性,并更为准确地实现对UAV对地面用户时变信道多径结构动态变化的模拟,丰富了动态信道的建模理论。此外,上述角度估计算法能够有效地运用到其它移动通信场景中,扩展了5G移动通信技术的研究。