高速移动环境下MIMO无线信道的建模及仿真

论文摘要

随着世界发达国家高速铁路化时代的来临,我国的高速铁路建设也取得了显著的发展和成就。为了满足移动通信用户在高速运行情况下的高速数据业务需求,将MIMO技术应用于高速铁路上的移动通信受到人们越来越多的关注,也将在B3G乃至未来无线移动通信系统中有着广阔的应用前景和发挥着越来越重要的作用。在高铁通信中,由于列车的快速行驶,接收信号将受到多径衰落的影响。因此,必须建立一个精确、合理、有效的MIMO动态无线信道模型来抵制各种衰落的影响和提高频谱利用率。多入多出(MIMO)无线通信系统相对于传统无线通信系统的明显优势在于充分利用了信号的空间传播特性,在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下成倍地提高无线通信系统的频谱效率和容量,实现高速数据传输。本文首先阐述了该论文的研究背景和研究意义以及无线移动通信发展概况和MIMO信道国内外的研究现状和发展趋势。其次按着大尺度衰落和小尺度衰落两个方面详细的阐述了无线信道的传播特性并给出相应的典型模型和分析；对MIMO信道的建模方法进行了分类,介绍了两大类MIMO信道建模的方法即确定性衰落信道模型和统计性模型(经验模型),并简要介绍了在3G以及B3G/4G系统中所采用的MIMO信道模型。然后根据高速铁路环境下电波传播特性,基于MIMO散射无线信道模型,提出了一种在高速铁路环境下基于3GPP TR25.996SCM的动态多入多出(MIMO)无线散射信道模型并对其进行仿真。在移动台运动以及改变接收端有效散射体至接收天线相位中心初始距离的情况下对信道的空域相关性进行研究和分析,由仿真结果表明空域相关性随时间的增加而增大,随有效散射体至接收多天线相位中心的初始距离的增大而增大。然后将信道空域相关性的实际值与理论值进行了比较,可以得出两者是一致的,验证了该模型的有效性和正确性,从而为提高MIMO移动通信系统的性能奠定了基础。为了进一步提高高速移动环境下MIMO移动通信系统的传输质量,基于3GPP TS36.101的规范标准,提出了一种改进的更符合实际的高速移动传播环境下的动态MIMO散射无线信道模型。仿真结果表明该信道模型能够较准确的模拟实际的信道特性,同时对该信道模型下的不同接收机的性能进行仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.1.1 移动通信技术的发展
• 1.1.2 高速铁路条件下MIMO无线信道的研究意义
• 1.2 MIMO信道模型的发展
• 1.3 本文主要研究内容和工作安排
• 第2章 无线信道：传播和衰落
• 2.1 无线信道特性
• 2.2 大尺度衰落（Large-scale fading）
• 2.2.1 路径损耗
• 2.2.2 阴影衰落
• 2.2.3 大尺度衰落的典型模型
• 2.3 小尺度衰落（Small-scale fading）
• 2.3.1 频率选择性衰落
• 2.3.2 时间选择性衰落
• 2.3.3 空间选择性衰落
• 2.3.4 小尺度衰落的典型模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 MIMO信道建模
• 3.1 MIMO无线信道概述
• 3.1.1 从SISO信道到MIMO信道的发展
• 3.1.2 MIMO无线信道参数
• 3.2 MIMO信道建模方法及其典型模型
• 3.2.1 MIMO信道建模方法的分类
• 3.2.2 MIMO信道典型模型
• 3.3 MIMO无线信道空域相关性的研究
• 3.3.1 空域相关性
• 3.3.3 仿真实验与性能分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速铁路环境下基于3GPP TR25.996 SCM的MIMO信道建模
• 4.1 SCM信道模型基本结构
• 4.2 射线跟踪法建模
• 4.2.1 SCM链路级信道模型参数
• 4.2.2 SCM链路级信道建模
• 4.3 基于射线跟踪模型的空间相关性
• 4.3.1 SCM信道空时相关性理论分析
• 4.4 高速铁路环境下基于3GPP SCM的动态MIMO信道建模
• 4.4.1 动态MIMO无线信道模型
• 4.4.2 高速铁路环境下的动态MIMO信道建模与仿真
• 4.4.3 动态MIMO散射无线信道接收端的空间相关性
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于3GPP TS36.101改进的MIMO信道模型和空时接收机
• 5.1 基于3GPP的常规测试信道
• 5.1.1 静态传播条件
• 5.1.2 多径衰落传播条件
• 5.1.3 基于3GPP TS36.101的高速列车条件
• 5.2 MIMO空时接收机
• 5.2.1 空间复用（SM）策略
• 5.2.2 最大似然（ML）接收机
• 5.2.3 空间复用（SM）的线性接收机
• 5.3 仿真实验和性能分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录