多天线MIMO三维空间域信道模型与系统传输性能研究

Due to the development of the next generation wireless communication systems and constructed the modern Air/Ground telecommunication networks, we will focus our researches on the three-dimensional channel model of Multiple-Input and Multiple-Output(MIMO) system, and try to reveal the critical factors and key problems that effected the channel model. Then the general channel model is set up and extended as a three-dimensional channel model by some new proposed methods. This project analyzes mutual coupling effects between antenna arrays and electromagnetic vector sensor(EVS), which combined with traditional MIMO antenna array, and develops the new signal processing theories and new technologies for modeling the MIMO channel; Based on the channel model, proposed 1～2 new methods for high efficiently, rapidly and accurately deriving the spatial correlation matrix of channel model by exact and approximate analysis by defining the concepts as "the first correlation fitting" and "the second correlation fitting". Finally, we will establish the channel approximation model which is more applicable to simulate the various wireless environments; According to the above researches, we will firstly investigate the MIMO system performances in Air/Ground cellular communication and develop the system simulation technologies. At the end of this research, try to design the measurement platform for measuring the MIMO channel model and system performances for our future development of wireless communication.

基于新一代移动通信系统的发展趋势和未来建设空天地(air/ground)现代信息网络的需求，本项目旨在深入研究多天线MIMO三维空间域信道建模，揭示三维空间域中多天线MIMO信道特征的诸多关键因素，将一般信道建模推广到三维空间域信道建模；结合互耦效应等效理论和电磁传感理论，发展信道建模新理论和新技术，建立基于电磁矢量传感器阵列的多天线MIMO收发理论模型；首次定义"一次相关性拟合"和"二次相关性拟合"概念，针对多径衰落信道，提出1～2种信道衰落相关性矩阵系数的综合快速计算新方法，建立MIMO信道的近似模型；依据所建立的三维空间域信道模型和快速计算法，实现对空天地(air/ground)蜂窝系统中多天线MIMO系统传输性能的分析，建立仿真验证和实验平台，获取基础实验数据验证模型理论的正确性。研究将形成一套完整的多天线MIMO三维空间域信道建模的理论基础与性能分析和仿真新技术。

近年移动通信在全球范围的长足发展，使之成为当今科学技术领域的研究热点。通信本质在于在实际传输环境中信息的准确和高效传输，因此建立合理有效的物理信道模型是无线通信研究重点之一。针对基础空间散射信道，本研究主要完成了“三维空间域多普勒功率谱及其多天线MIMO系统性能”、“基于散射簇的三维空间域3D统计信道模型分析”、“基于散射簇3D统计模型的正向信道估计及其稀疏算法”、“和“WSN信道的模糊染色定位算法与数据融合”等理论研究工作。提出了三维空间域统计信道模型，在基站BS使用波束宽度为定值参数的定向天线，MS处散射体仅分布在二维水平面上的圆模型内部的设置。该模型能够准确合适地描述宏小区移动通信环境下的重要空时信道参数。弥补了过去信道模型的不足，为无线通信建模提供了灵活多变的信道模型，更具有实用意义。完成了多天线MIMO系统的物理模型和统计模型的特征分析，得到MIMO信道模型和计算方法。对WSN应用场景，利用实际环境中的信道并非理想的视距传播(LOS)信道，由于多径、绕射、障碍物等，提出了改善的基于卡尔曼滤波器的非均匀修正算法，得到以向量机为基本模型的融合卡尔曼滤波器的最佳状态估计，具有更高的预测精度和收敛速度。. 另一主要研究是针对特殊场景和毫米波频段，完成了“40GHz桌面无线传输信道链路损耗分析”、“城市密集弯道无线信道及MIMO 性能”、以及“基于改进的狭窄街道多散射信道模型”的开发与研究。得到了在不同桌面材料和不同收发端间距等情况下，40GHz频段的桌面无线信道特征参数，提出并改进了的适合于40GHz桌面无线传输信道链路损耗的模型。另外针对城市狭窄街道MIMO系统移动传播环境，在经典椭圆模型基础上引入等效散射点概念，本研究针对城市狭窄街道 M2M 移动通信环境提出了多跳散射信道模型理论，弥补了过去只考虑单点散射与双跳散射模型缺陷。以上各项研究成果极大地弥补了过去在信道建模中的不足和缺点，为通信系统设计提供了灵活多变的信道模型，具有非常实用的意义，且拓宽三维空间域统计信道建模的相关理论。研究成果为未来进一步分析和讨论多种特殊小场景5G MIMO 信道特征打下很好的理论基础。