平流层MIMO通信系统信道建模研究

发布时间：2020-05-07 06:57

【摘要】：平流层通信系统与地面通信系统相比覆盖面积广,与卫星通信相比自由空间损耗小、成本低,因此近年来得到了广泛的研究。在平流层平台上使用多输入多输出(MIMO)技术能够实现空分复用,提高频谱效率和信号传输速率。而信道模型作为一种有效的系统设计工具,能够精确地描述信号传播特性、评估系统性能。因此,建立准确的信道模型对于分析和设计平流层MIMO通信系统具有重要意义。本文主要研究了平流层MIMO系统信道传播特性和信道建模方法,提出了基于几何的随机信道模型,其中包括三维(3-D)平流层MIMO系统非平稳性信道模型和基于散射体动态特性的平流层MIMO系统信道模型。本文提出了一个接收端高速运动场景下的三维非平稳平流层MIMO宽带信道模型,其中接收端的的运动方向和速度时变。根据抽头时延模型,建立三维多圆柱体信道模型描述平流层宽带信道。模型分析了由于运动速度和发送端、散射体以及接收端之间的位置关系等时变参数导致的信道非平稳性。基于理论模型,本文分析了空-时-频相关性等信道统计特性。此外,本文提出了一个仿真模型以降低计算和仿真的复杂度并验证理论模型的有效性。最后,仿真结果表明该模型能够用于描述平流层MIMO系统的非平稳特性。此外,本文还提出了一个基于散射体动态特性的三维平流层MIMO信道模型,模型中既包含静止的散射体又包含运动的散射体。散射体的动态特性包括散射体的运动和动态演进现象两点。在该模型中,采用M步两状态马尔可夫过程描述散射体“出现”、“消失”以及“再次出现”的现象。通过使用Chapman-Kolmogorov(C-K)方程,计算出了状态转移概率的闭式解。基于所提出的信道模型,本章分析了信道的空时相关性,并给出了运动散射体空时相关性函数的闭式解。最后,通过仿真分析了散射体动态特性对信道产生的影响,通过与测量结果对比验证了模型的有效性。
【图文】：

平流层通信系统,传输方案

图 2 平流层通信系统一般传输方案[12]Fig 2 Transmission scheme for HAP communication system[12]文献[2]-[8]对 HAP、卫星和陆地系统的无线通信进行了比较，分析了每个系统各自的优缺点。陆地通信、卫星通信和 HAPS 通信系统关键参数的比较如表 1所示。平流层通信综合了陆地和卫星通信系统的优点，具有如下所述优势：（1）与地面通信相比，覆盖范围广。由于平流层通信可以通过一条较短的穿过大气层的倾斜路径到达接收端，因此，，在长距离通信中，经历的雨水衰落比地面通信小，从而在较小的毫米波段类产生链路预算优势。（2）部署费用低，对地面基础设施依赖程度低，易于维护和升级。由于平流层通信系统仅由高空平台和地面设施组成，部署速度比地面通信和卫星通信快的多。此外，由于 HAPS 对部件的可靠性要求相比卫星通信低得多，可以在短时间内发射和降落，实现故障维修和平台替换，因此，研究表明，HAPS 的费用仅为卫星通信系统的 10%。（3）由于平流层通信系统的高仰角特性，传输环境主要为视距条件（Line-of-Sight, LoS），因此与陆地通信系统相比多径衰落少，传输时延低；与卫星通信相比，它的自由空间损耗小，传播延迟短。（4）结构简单，具有快速部署能力。地面通信和卫星通信系统的部署、规划到最后的实行需要经历繁琐而耗时的过程，有的甚至需要经历几年

信道模型

图 7 信道模型的分类[56]Fig 7 Classification of propagation models[56]由于分析模型仅给出信道的数学表达式，不能提供信道的量化信息，因此将信道与环境、天线参数等联系起来。而物理模型能够通过调整适用于不同境和天线模式，重现电磁波传输场景，能够用于检测系统在实际环境中的有。因此，在平流层 MIMO 系统中一般使用物理模型分析方法，下面将主要理模型在平流层中的运用进行介绍。1 确定性模型确定性信道模型的信道参数全部是确定的，能够用于重现特定环境中真实的电传播过程。在城市场景中，可运用电波数据库存储通信链路的几何和电磁，从而通过计算机程序可以模拟信号的传播过程。确定性模型仅适用于特定境，适用范围较单一，但由于其高精度和符合实际传播过程，在某些难以测场景下可以使用确定性模型代替实际测量。在实际场景中描述接收端和发送近场效应最适合的物理模型是射线追踪(RayTracing,RT)模型。RT 模型利用光学理论处理平面上的散射、折射和衍射现象，假设信号波长比环境中障碍尺寸小得多，在真实场景中利用射线发送设备来发送多条射线来重新信号的过程，通过测量射线得到信号幅度、相位等参数，从而计算信道冲击响应
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.3

【参考文献】