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煤矿井巷电波传播理论和MIMO信道建模关键技术研究

作　者: 郑红党
导　师: 徐钊
学　校: 中国矿业大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 煤矿井巷 多波模理论 大尺度衰落 帐篷定律 小尺度衰落 MIMO信道模型 本征模理论 空间自由度
分类号: TN011
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 326次
引　用: 7次
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内容摘要


电磁波在煤矿井巷的传输不仅会因巷道壁的吸收引起大的衰耗,更主要的是会频繁地发生反射和散射现象,形成多径效应。研究巷道电波的传播特性,一直是无线通信领域的难点。综合波模理论和几何光学方法的特点,提出运用多波模理论分析巷道内无线信道的大尺度衰落,几何光学方法分析巷道内的小尺度衰落,并建立了巷道内MIMO信道模型。在研究大尺度衰落过程中发展了波模理论,提出了多波模理论:(1)推导了高次模的介质波导损耗、散射损耗、倾斜损耗、分支损耗以及天线插入损耗的各个公式;(2)给出了波模数目的计算方法及公式;(3)考虑基模和各个高次模的共同作用,进一步推导了多波模作用下的介质波导、散射、倾斜、分支的损耗公式;(4)增大电磁波传输频率,介质波导损耗趋于收敛值;(5)考虑散射与倾斜损耗,给出最佳频率选择参考公式,以及参考表。通过仿真分析电磁波的传输衰落以及电波强度的分布情况,与文献所述实验数据基本相符。运用几何光学方法――帐篷定律,分析了无线信道的小尺度衰落。(1)定义了帐篷第三定律,把原先的标量建模发展成为矢量建模;(2)建立了巷道内MIMO信道模型。(3)对巷道内MIMO信道相关性进行了公式推导。通过仿真分析在巷道内信道的角度扩展较小,电波传输有较强的方向性,角度功率谱接近于拉普拉斯分布;巷道内的MIMO信道的相关性与天线阵列的布置密切相关,天线阵列最佳位置是垂直于轴心。天线间距达到10l时,可认为信道不相关。仿真结果与实验数据相吻合。MIMO要求天线阵列单元之间有足够的间距,使相关系数较小,才能够提供有效的子信道。矿井巷道横截面大小是否能够满足此空间要求,是一个关键性的问题。本文运用数学理论——本征模理论,研究分析在隧道受限空间本身(排除工程设计的因素)能够提供的空间自由度,给出了巷道内空间自由度的计算公式,得到了隧道空间能够提供的信道容量上限。通过仿真分析,只要合理的设计通信体,巷道内可提供一定的空间自由度,在距离300m处时,空间自由度为3。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
Extended Abstract  9-12
目录  12-16
图清单  16-18
表清单  18-19
变量注释表  19-20
缩略语对照表  20-21
1 绪论  21-32
  1.1 引言  21
  1.2 矿井无线通信的特殊性  21-22
  1.3 矿井无线通信系统的分析  22-25
  1.4 MIMO 关键技术和研究现状  25-28
  1.5 隧道内 MIMO 研究现状  28-29
  1.6 本文的研究内容及创新点  29-30
  1.7 论文结构  30-32
2 MIMO 信道传播特性及容量分析  32-49
  2.1 引言  32
  2.2 MIMO 系统模型  32-33
  2.3 MIMO 信道传播特性  33-34
  2.4 大尺度衰落  34
  2.5 小尺度衰落  34-41
  2.6 MIMO 信道容量分析  41-48
  2.7 小结  48-49
3 巷道内大尺度衰落的研究  49-69
  3.1 引言  49
  3.2 波模理论基础  49-51
  3.3 矩形巷道的波模理论  51-58
  3.4 多波模理论的研究  58-62
  3.5 最佳频率选择  62-64
  3.6 软件仿真与分析  64-67
  3.7 小结  67-69
4 巷道内 MIMO 信道建模的研究  69-92
  4.1 引言  69
  4.2 MIMO 信道建模方法  69-71
  4.3 巷道内小尺度衰落的分析——帐篷定律  71-76
  4.4 帐篷第三定律  76-78
  4.5 信道参数的计算  78-81
  4.6 巷道内 MIMO 建模及相关性分析  81-85
  4.7 巷道 MIMO 模型仿真与分析  85-91
  4.8 小结  91-92
5 巷道内空间自由度的研究  92-106
  5.1 引言  92
  5.2 研究空间自由度的方法  92-93
  5.3 本征模理论  93-98
  5.4 巷道内空间自由度的求解  98-103
  5.5 仿真与分析  103-105
  5.6 小结  105-106
6 总结与后续工作  106-108
  6.1 论文完成的工作  106-107
  6.2 后续工作  107-108
参考文献  108-117
作者简历  117-120
学位论文数据集  120

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 一般性问题 > 基础理论 > 电波传播、传播机理
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