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基于3GPP LTE的MIMO信道建模与信道测量

作　者: 金颖妮
导　师: 郑正奇
学　校: 华东师范大学
专　业: 无线电物理
关键词: LTE MIMO 3GPP 信道建模相关性参数测量估计
分类号: TN919.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

第三代合作伙伴计划(3GPP)是第三代移动通信(3G)以及后三代移动通信(B3G)技术标准最具影响力的制定者,近几年来,宽带码分多址(WCDMA)、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、高速数据包接入(HSPA)等各种系统已经逐步在全球大规模部署,同时,3GPP又启动了长期演进(LTE)、HSPA+、LTE-Advanced等项目。LTE系统采用多输入多输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)作为两大主要技术以应对系统大容量与高频谱利用率等需求。MIMO在通信链路两端均采用多天线系统,同时发射接收信号,充分利用系统空间资源,在无需增加发射功率和频谱资源的情况下,提高系统性能。在当今无线通信技术发展中扮演越来越重要的角色,MIMO相关技术如信号处理、编解码、调制解调以及资源管理等研究一直处于前沿领域,然而,MIMO系统仍有很多亟待研究的问题。本文是基于3GPP LTE系统架构的MIMO技术研究,主要内容包括以下几个方面:第一.系统的研究MIMO信道中信号的空间相关性及其对MIMO系统性能的影响,为基于3GPP LTE的MIMO信道建模奠定理论基础,为信道容量以及MIMO其他技术的研究提供参考依据。首先,在考虑四天线结构、互耦因素、典型功率角谱分布(PAS)、天线间距等系统特征参数的情况下,推导接收端信号的相关系数,并对其进行数值分析,指出MIMO系统典型参数与相关系数的关联,弥补了现有研究的不足;其次,在评估信号空间相关系数的基础上,基于Kronecker模型解释信号相关性和信道相关性的区别联系,并利用Kronecker理论推导信道相关矩阵模型;最后,结合MIMO系统研究的重点,分析相关性对MIMO系统性能起重要作用的根本原因。第二.系统的研究MIMO无线信道建模。指出传统单入单出(SISO)信道建模与MIMO信道建模的本质区别,以及MIMO信道建模理论研究的关键;其次,基于MIMO信道建模方法分析目前较典型的MIMO信道模型,提出MIMO信道模型准确性仿真验证方法;再次,基于3GPP 25.996协议,用射线跟踪建模法和相关矩阵建模法分别对MIMO信道建模,即基于射线跟踪理论推导出MIMO信道在空间分集、极化分集、混合分集以及直达径(LOS)场景下的信道传输函数解析式,然后,在此结论基础上,用相关矩阵法推导出MIMO信道空间相关矩阵、极化相关矩阵以及时间相关矩阵的形式;最后,推导并数值分析空间、时间相关性对信道容量的影响,以及提出两种方法建立的MIMO信道模型的准确性仿真验证流程。第三.系统的研究MIMO信道测量与估计。主要对象:功率时延谱(PDP)、PDP漂移、多普勒功率谱(DPSD)、多普勒频移、波束成形(BF)、多径径数、相干带宽、相干时间、多径衰落相关性、接收信号总功率衰落以及典型天线结构下信道冲激响应(CIRs)的相关性等。首先是原理部分,1.介绍如何得到CIRs以及PDP,提出如何通过它们推导出信道其他参数。2.提出一种简单有效的方法估计最大多普勒频移,分析实际系统中影响估计准确性的因素并提出算法修正,并验证。3.提出在有限反馈信道状态信息(CSI)时的BF算法纠正方案、验证以及算法评估;其次,针对以上原理,根据3GPP LTE协议配置参数,进行测量实验,通过对实验数据提取CIRs、PDP以及其他信道传播特性参数,分析结果,并验证相关结论。最后对整个LTE样机系统的软件结构进行介绍,并例举其在仿真平台Linkstar上的实现。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-25
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 LTE特点概述及其标准化现状  15-17
  1.3 MIMO无线通信技术  17-22
    1.3.1 MIMO-OFDM系统  18-19
    1.3.2 MIMO信道相关性  19-20
    1.3.3 MIMO信道建模  20
    1.3.4 MIMO信道测量与估计  20-21
    1.3.5 其他  21-22
  1.4 本文研究工作及安排  22-25
第二章 MIMO系统空间相关性评估  25-61
  2.1 MIMO空间相关性概述  25-26
  2.2 信号空间相关系数推导  26-35
    2.2.1 不考虑互耦因素  27-30
    2.2.2 考虑互耦因素  30-35
  2.3 信号空间相关系数评估  35-40
    2.3.1 均匀分布  36-37
    2.3.2 高斯分布  37-38
    2.3.3 余弦分布  38-39
    2.3.4 拉式分布  39-40
  2.4 信号相关系数的数值分析  40-48
    2.4.1 均匀分布  41-43
    2.4.2 高斯分布  43-44
    2.4.3 余弦分布  44-46
    2.4.4 拉式分布  46-47
    2.4.5 小结  47-48
  2.5 MIMO信道相关性  48-59
    2.5.1 信道相关矩阵模型  48-50
    2.5.2 信道相关性与MIMO系统性能  50-58
    2.5.3 小结  58-59
  2.6 本章小结  59-61
第三章 MIMO无线信道建模  61-111
  3.1 理论基础  61-75
    3.1.1 传统无线信道建模与MIMO无线信道建模  62-64
    3.1.2 MIMO无线信道建模方法  64-67
    3.1.3 MIMO无线信道典型模型  67-72
    3.1.4 MIMO模型仿真验证方法  72-75
  3.2 基于3GPP 25.996的MIMO无线信道建模  75-110
    3.2.1 基本结构  75-78
    3.2.2 射线跟踪法建模  78-90
    3.2.3 相关矩阵法建模  90-103
    3.2.4 MIMO信道容量分析  103-106
    3.2.5 仿真验证流程  106-109
    3.2.6 小结  109-110
  3.3 本章小结  110-111
第四章 MIMO信道测量与估计  111-158
  4.1 原理  111-132
    4.1.1 获得CIRs和PDP  112-114
    4.1.2 PDP测量分析  114-116
    4.1.3 其他信道参数  116-120
    4.1.4 最大多普勒频移估计  120-126
    4.1.5 最优BF算法的修正  126-131
    4.1.6 小结  131-132
  4.2 测量举例  132-139
    4.2.1 参数设置  132-133
    4.2.2 测量结果  133-138
    4.2.3 小结  138-139
  4.3 相关系数统计  139-151
    4.3.1 4×1信道相关系数统计  139-147
    4.3.2 4×2信道空间相关性统计  147-151
    4.3.3 小结  151
  4.4 LTE系统架构  151-156
    4.4.1 下行基本架构  151-153
    4.4.2 上行基本架构  153-154
    4.4.3 系统级仿真平台  154-156
    4.4.4 小结  156
  4.5 本章小结  156-158
第五章总结和展望  158-161
  5.1 全文总结  158-159
  5.2 后续研究工作  159-161
参考文献  161-173
攻读学位期间发表的论文  173-175
附录  175-190
  附录A.Nakagami信道  175
  附录B.文中涉及的3GPP 25.996部分内容  175-182
    B.1 根据场景选择参数  175-176
    B.2 宏小区用户参数生成步骤  176-179
    B.3 微小区用户参数生成步骤  179-181
    B.4 校准用的链路级信道模型参数  181-182
  附录C.Monte Carlo方法及其在移动通信中的应用  182-183
  附录D.英文缩略语对照表缩略语表  183-186
  附录E.数学运算符对照表  186-187
  附录F.信道测量与估计的相关后台程序  187-190
致谢  190

基于3GPP LTE的MIMO信道建模与信道测量

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