基于几何的MIMO移动对移动（M2M）衰落信道建模的研究

论文摘要

移动对移动通信系统（M2M:Mobile-to-Mobile communication systems）是一种不基于固定式基站的移动通信系统,目前, M2M通信由于应用性强且能较好地满足新一代无线通信的要求而受到了广泛地关注,例如,它可应用于无线移动ad hoc网络、中继蜂窝网络及智能传输系统中的短距离通信（如IEEE 802.11p标准）。而输入多输出（MIMO:multiple input multiple output）技术能通过空间分集减弱多径衰落的影响,并提高无线通信系统的频谱利用率与信道容量等。针对MIMO的技术特点,将其应用于M2M系统,从而能提高M2M系统的信道容量、系统的服务质量,并增大传输功率与带宽,降低传输的误码率,使得系统的传输性能大大提高。另外了解无线通信链路的信道特性有助于设计理想性能的通信系统,而目前已有的许多信道模型不能运用于M2M通信系统,也没有已知的信道模型可以直接来描述M2M信道的衰落和空-时-频域行为,因而,在研究M2M通信系统时,建立MIMO M2M信道模型,充分研究信道的空间特性是很有必要的。为此,本文以基于几何的MIMO M2M衰落信道建模研究为主题,结合了MATLAB仿真,在M2M衰落信道建模及其统计特性方面展开了研究,致力于建立新的M2M通信信道模型及能反映真实传播环境的信道模型,并结合MIMO技术,研究空-时-频域中MIMO M2M衰落信道的统计特性。论文的主要研究工作如下：首先,针对频率非选择性Rician MIMO M2M信道,采用基于几何散射模型的信道建模方法,并结合现有的MIMO几何模型,提出了基于中继协作通信的三环几何散射分布模型,分别推导了该模型在散射环境和视距（LOS:Line-of-Sight）情形下的时间自相关、空时互相关函数及多普勒功率谱密度,并根据推导出的新结论,对该模型的时域自相关特性以及空域互相关特性进行了仿真分析,并仿真比较了不同模型分别在不同容量公式（传统的由天线的均匀相关得到的容量公式与由改进后的指数相关而得到的容量公式）下的情形,结果表明该几何三环MIMO M2M信道模型具有较强的适用性,且能较准确反应天线间距、波达角（AOA）、波离角（AOD）等因素对MIMO M2M信道相关性的影响。其次,考虑散射体分布的成簇性,将上述模型扩展到频率选择性衰落信道。该宽带模型不仅考虑了收发两端的移动及频率选择性MIMO M2M衰落信道收发两端存在的视距分量,而且还考虑了频率对信道的影响,推导出了宽带MIMOM2M信道的空时频互相关函数、功率迟延谱及多普勒功率谱密度,探讨了各因素（包括有天线间距、AOA、AOD、扩展因子、移动速度等）对信道相关性及信道容量的影响,并对其进行了仿真与分析。最后,运用实测数据对前面所提出的基于几何三环的MIMO M2M衰落信道模型进行了验证,结果表明,该几何三环信道模型的仿真结果与实测结果得到了较好的吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 缩略语说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 MIMO M2M信道模型的研究现状
• 1.3 论文结构安排
• 第二章 MIMO M2M无线信道建模
• 2.1 引言
• 2.2 MIMO无线信道传播模型
• 2.2.1 路径损耗与阴影衰落
• 2.2.2 多径衰落
• 2.3 MIMO F2M与MIMO M2M信道模型
• 2.4 基于几何的MIMO M2M信道模型
• 2.4.1 基于几何MIMO M2M信道建模的必要性
• 2.4.2 基本几何MIMO M2M散射信道模型
• 2.5 MIMO M2M信道容量分析
• 2.5.1 MIMO M2M信道容量
• 2.5.2 MIMO M2M信道相关性
• 2.5.3 相关性对信道容量的影响
• 第三章 基于几何三环的频率非选择性MIMO M2M衰落信道模型
• 3.1 引言
• 3.2 基于几何三环的频率非选择性MIMO M2M衰落信道的描述
• 3.3 基于几何三环的频率非选择性MIMO M2M衰落信道的空时相关函数与多普勒功率谱密度
• 3.3.1 视距分量的互相关函数
• 3.3.2 散射分量（双环和椭圆环）的互相关函数
• 3.3.3 多普勒功率谱密度
• 3.3.4 仿真结果及分析
• 3.4 基于几何三环的频率非选择性MIMO M2M衰落信道的时间自相关函数
• 3.4.1 视距分量的自相关函数
• 3.4.2 散射分量（双环和椭圆环）的自相关函数
• 3.4.3 仿真结果及分析
• 3.5 基于几何三环的频率非选择性MIMO M2M衰落信道的信道容量
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于几何三环的频率选择性MIMO M2M衰落信道模型
• 4.1 引言
• 4.2 基于几何三环的频率选择性MIMO M2M衰落信道的描述
• 4.3 基于几何三环的频率选择性MIMO M2M衰落信道的空时频相关函数、功率延迟谱与多普勒功率谱密度
• 4.3.1 视距分量的空时频互相关函数
• 4.3.2 散射分量的空时频互相关函数
• 4.3.3 功率延迟谱
• 4.3.4 多普勒功率谱密度
• 4.3.5 仿真结果及分析
• 4.4 基于几何三环的频率选择性MIMO M2M衰落信道的容量分析
• 4.5 测量验证
• 4.5.1 测量数据来源
• 4.5.2 测量与仿真比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 进一步研究工作
• 附录
• A. 式（3-9）的推导
• B. 式（3-10）-（3-15）的推导
• C. 式（3-18）的推导
• D. 式（3-23）的推导
• E. 式（3-26）的推导
• F. 式（4-9）的推导
• G. 式（4-11）的推导
• H. 式（4-13）的推导
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表与参加科研情况