MIMO统计信道基础理论及应用分析

发布时间：2020-11-07 20:23

　　 随着无线通信系统的发展,对信道资源的利用更加广泛和深入,就要求进一步认识无线信道,通过建立信道模型对这些资源进行全面、精确的描述。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统通过在发射端和接收端均采用多天线技术不仅提高了系统性能,相对于单输入单输出系统能提高了信道容量。本文主要围绕基于统计的MIMO信道模型及车载移动通信系统进行研究分析,通过室内外空间信道建模,分析波达信号的到达角(Angle of Arrival,AOA)、到达时间(Time of Arrival,TOA)的统计分布特性以及不同天线阵列下的MIMO性能。本文具体工作主要为以下四个方面:首先,针对室外宏小区移动通信场景,简单介绍了一个空心圆模型,并给出了此模型上行链路空时统计特性;针对室内外无线传播环境,提出一个三维几何散射体信道模型,在假设所有有效散射体均匀分布在椭球体内,基站和移动台位于椭球的两个焦点处的情况下,给出了波达信号在空间和时间上的一些统计特性,分别推导了此模型下室内外环境中基站(Base Station,BS)端、移动台(Mobile Station,MS)的TOA和AOA的概率密度函数。通过和一些二维模型、可测量数据比较可以验证所提出模型的有效性。这个提出的三维(Three Dimensional,3D)模型适用于无线通信环境特别是室外微微蜂窝小区和室内传播环境,同时也拓展了对三维空间统计信道模型的研究和应用。其次,以上述三维空间统计信道模型为基础,研究了多天线系统的性能。通过在移动台分别设置四单元的线型阵列(Uniform Linear Array,ULA)和圆环阵列(Uniform Circular Array,UCA)在椭球3D空间统计信道模型的基础上分析了 MIMO多天线系统性能,研究包括了空间衰落相关性和系统容量以及天线阵列配置。然后,为了研究在各向同性散射和非各向同性散射中信道的传输特性,引入Von Mises分布函数,建立一种几何散射信道模型,并在此基础上研究了发射端和接收端都设置均匀线型阵列时的MIMO性能。在定量给出到达角和发射角(Angle of Departure,AOD)关系的条件下分析了参考模型的相关函数和信道容量。另外,在精确多普勒扩展法(Method of Exact Doppler Spread,MEDS)的基础上提出一种改进的参数计算方法,在参考模型的基础上得到了仿真模型。本模型的数值结果阐明了 Von Mises分布下信道的相关特性,理论分析和仿真结果表明信道仿真器和参考模型有近乎一致的时间相关性,同时此模型的提出也拓展了空间统计信道模型的研究。最后,为了研究室外视距(Line of Sight,LoS)和非视距(non-LoS,NLoS)传输场景中车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle,V2V)之间的无线通信系统,提出一种基于几何街道散射场景的统计信道模型,其发射端和接收端都处于移动状态。并且在发射端和接收端都采用多天线技术,模型定量给出了几何街道散射场景下到发射角(angle of arrival,AOD)和到达角AOA之间的几何关系。同时研究了信号在几何散射信道模型中的空间互相关函数、时间自相关函数(Auto Correlation function,ACF)、频率互相关函数以及多普勒功率谱(Power Spectral Density,PSD)的影响。理论分析和仿真结果表明提出的V2V通信系统的无线信道的统计特性符合理论和经验,拓展了多输入多输出宽带V2V通信系统的研究。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN919.3
【部分图文】：

Ｘ。是载波频率对应的波长，是第ｎ簇的第ｍ条径产生的多普勒频移。（＾ｓ??是ＢＳ端视距传输时的离开角，而ｃｐｗｓ是电磁波视距传输时到达ＭＳ端的到达角度？??和（（）＾则分别表示了第ｎ个簇中第ｗ条径对应的离开角ＡＯＤ和到达角ＡＯＡ。图２．１给??出了以上各个角度的示意。??８??

辨的簇决定ｔｍ。本小节将介绍对接收信号的空时特性进行通用建模的方法。??２．３．１参考信道模型??室外传播环境如图２．２所示，周围环境的散射体导致了从发射端到接收端存在Ｌ条??多径分量。通过使用两个本地的坐标系统（一个在发射端，一个在接收端），矢量和ｒ，??分别决定了发送天线和接收天线的空间位置，通过扩展参考文献［３２］中的方向性表达式，??接收信号最终表示为双向性信号［３３］。ｘ（〇是发送信号的复基带形式，接收信号??的复基带形式表示如下：??ｙ（ｔ，ｒＴ，ｒＲ）?＝?Ｙ，ａｉ?ｅｘｐ［ｊ２ｕ（ｎｒ；?？?ｒＴ）／Ｘ０］ｅｘｐ［ｊ２？ｉ（ｎ＾，?？?）／＾０］??／＝丨?（２．６）??ｘｅｘｐ（ｊ２ｒｔｖｒｆ／）ｘ（／－ｒ／）??其中，ｔ表示时间，＼是波长。第／条径的其余参数包括：乂是复幅度，ｔ／是延时，??Ｖ，，，是多普勒频移，是离开方向ＡＯＤ的单位矢量，是到达方向ＡＯＡ的单位矢??量。??上式的基本原理是：接收信号理解为对发射信号任意加权和时延的结果

南京信息工程大学硕士学位论文定的确定性幅度払和式（２．８）中的散射部分共同决定ｇ的幅度布：??（－）?＝?＾Ｒｉｃｅｉｚ）?＝?ｚｅｘｐ［－（２２?＋?ｂ｛）／（２〇ｌ）］ｌＱ｛ｚｂｘｌ〇ｌ）ｌａｌ，２?＞?０是修订后的零阶贝赛尔函数［１５］，尺表示Ｒｉｃｅ分布因子，具量与漫反射部分能量的比值，即欠／（２ａ。）２，图２．３和图２．布的概率密度函数。??１．８??：?：?；?．???
【参考文献】

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本文编号：2874430