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基于电波传播测量的宽带多天线信道空域特性研究和容量评估

作　者: 黄程祥
导　师: 刘宝玲；张建华
学　校: 北京邮电大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 信道测量信道参数估计空域特性中继信道信道容量
分类号: TN911.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无线通信系统中,无线信道是信息的传输媒介,无线信道的传播特性对系统性能有着直接的影响。在设计任何无线通信系统时,必须深入了解无线信道的传播特性,以优化系统的性能。获得无线信道特性的最直接手段是信道测量。通过测量,可以观察并收集到真实传播环境下的信道冲激响应,从中抽出表征信道特性的关键参数,继而为无线信道的建模和仿真打下基础。本文基于多个典型场景下的无线信道测量,对宽带多天线信道的空域特性进行了统计研究,并对实际传播条件下的信道容量进行了评估,主要工作包括以下四个方面：第一,改进了信道参数估计中使用的空间交替广义期望最大化算法。一方面是算法初始化过程的改进。考虑到测量快照之间的相关性,将空间上处于一定距离内的测量快照划在同一个本地区域内,对于每个本地区域内的第一个测量快照,采用传统的串行干扰消除方法对其信道参数进行初始化,而对于其他测量快照,直接将前一个测量快照的估计结果作为下一个测量快照的初始化输入。另一方面是搜索过程的改进。考虑到多径信号通常以簇的形式传播,将先前迭代得到的各参数附近的一定区间定义为优先搜索域,在每一次迭代时,先在优先搜索域内搜索,寻找是否存在使似然函数单调递增且最大化的参数值,若存在,则相应参数更新为该值,若不存在,再在非优先搜索域中搜索。改进后的初始化方法和搜索过程大大提高了算法的执行效率。第二,对郊区宏小区、城市宏小区、城市微小区和中继场景下无线信道的空域参数,如角度功率谱和循环角度扩展进行了统计分析。郊区宏小区场景中,收发端总是处于视距或阻挡视距条件下,此时发送功率集中在视距传播方向附近,而接收功率表现出明显的两径效应,一径来自视距传播或建筑物顶部的一次衍射传播,另一径来自道路另一侧建筑的反射传播。城市宏小区场景中,视距条件下发送和接收功率都集中在视距传播方向附近,但接收端本地散射效应更显著；非视距条件下,电波主要通过一次衍射或一次反射到达接收端。对于城市微小区场景和中继场景中的中继-移动台链路,由于发送天线低于周围建筑,电波通常沿街道方向传播,街道表现出明显的波导效应,两个场景下收发端的角度扩展均明显小于标准给出的参考值。对于中继场景中的基站-中继链路,视距条件下电波主要沿视距方向传播,非视距条件下主要通过屋顶衍射或远端建筑反射传播。接收天线高度的增加使得到达角扩展小于标准给出的参考值。第三,评估了郊区宏小区、城市宏小区和城市微小区场景下天线配置对多天线系统的容量增益和中断容量的影响。评估中共考虑了7种天线配置,涵盖了不同阵元数、不同阵元间距和不同极化方式的情况。评估结果表明,对于同一场景,单纯增加发送天线数对多天线系统的容量增益和5%中断容量都没有明显改善；在离开角扩展较小的情况下,增大发端天线间距能在一定程度上提高信道的中断容量,但对容量增益只有微弱影响；双极化天线阵列的性能优于垂直极化天线阵列。另外,比较某一天线配置在不同场景下的性能发现,角度扩展的大小对该配置的容量增益几乎没有影响,但中断容量会随着角度扩展的增大而增加,尤其在低信噪比情况下增加得尤为明显。第四,评估了有限反馈条件下放大-转发中继系统的遍历容量。评估中提出了一种新的量化反馈信道特征值的方法,该方法以最小均方误差条件为码本设计准则,采用Lloyd算法生成码本,设计的码本能保证量化输出与输入之间的误差在平均意义上达到最小。而后将有限反馈方案引入到4×4×4的放大-转发中继系统中,分别比较了不同天线配置、不同预编码码本、不同反馈量和不同功率分配方案对系统遍历容量的影响。评估结果表明,双极化天线阵列能带来比垂直极化天线阵列更高的遍历容量；当反馈量一定时,不同的预编码码本对遍历容量几乎没有影响；对于同一种预编码码本,反馈量越大,遍历容量也越大,但需要在容量与反馈开销之间寻求合理的折衷；最优功率分配策略的性能明显优于平均功率分配策略,且本文提出的量化反馈信道特征值的方法是必要的。综上所述,本文通过测量获得的宝贵数据和分析结论可以为我国未来移动通信系统的网络规划和技术评估提供一定参考。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第1章绪论  12-19
  1.1 无线信道测量和建模的必要性  12
  1.2 未来无线通信系统对信道模型的需求  12-14
    1.2.1 技术需求  12-13
    1.2.2 频谱需求  13
    1.2.3 系统构架需求  13-14
  1.3 现有研究及其局限性  14-17
    1.3.1 现有的信道空域特性研究  14
    1.3.2 现有的MIMO信道模型  14-15
    1.3.3 现有的中继信道研究  15-16
    1.3.4 现有研究的局限性  16-17
  1.4 论文目标  17-18
  1.5 论文的资助  18-19
第2章宽带无线信道测量原理及场景规划  19-30
  2.1 宽带无线信道测量原理  19-25
    2.1.1 宽带MIMO信号模型  19-21
    2.1.2 宽带MIMO信道测量系统  21-24
    2.1.3 测量天线的选择  24-25
  2.2 测量场景规划  25-30
    2.2.1 郊区宏小区场景  25-26
    2.2.2 城市宏小区场景  26-27
    2.2.3 城市微小区场景  27
    2.2.4 中继场景1  27-28
    2.2.5 中继场景2  28-30
第3章宽带多天线信道参数提取算法  30-42
  3.1 最大似然估计方法  30-31
  3.2 空间交替广义期望最大化算法  31-36
    3.2.1 似然函数和目标函数  31-33
    3.2.2 计算条件期望  33
    3.2.3 最大化目标函数  33-34
    3.2.4 SAGE算法初始化  34-36
  3.3 SAGE算法的改进  36-42
    3.3.1 初始化方法的改进  36-38
    3.3.2 搜索过程的改进  38-42
第4章空域参数分析  42-53
  4.1 角度功率谱  42-49
    4.1.1 郊区宏小区场景  42-43
    4.1.2 城市宏小区场景  43-45
    4.1.3 城市微小区场景  45-47
    4.1.4 中继场景1  47
    4.1.5 中继场景2  47-49
  4.2 角度扩展  49-53
    4.2.1 郊区宏小区场景  50
    4.2.2 城市宏小区场景  50-51
    4.2.3 城市微小区场景  51
    4.2.4 中继场景1  51-52
    4.2.5 中继场景2  52-53
第5章基于信道测量的无线信道容量评估  53-70
  5.1 传统网络结构下MIMO无线信道的容量计估  53-60
    5.1.1 评估方法与流程  53-55
    5.1.2 仿真结果  55-60
  5.2 有限反馈条件下中继信道的容量评估  60-70
    5.2.1 中继系统中引入有限反馈技术的必要性  61
    5.2.2 中继系统模型和中继信道容量  61-63
    5.2.3 有限反馈方案设计  63-66
    5.2.4 评估方法和流程  66
    5.2.5 仿真结果  66-70
第6章总结与展望  70-74
参考文献  74-78
致谢  78-80
攻读硕士期间发表的学术论文  80

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