MIMO-OFDM无线通信系统中极化的理论及方法研究

Study of polarization in MIMO-OFDM wireless communication system is of importance, especially for mibile communication equipments in limited space of disaster enviroments. This paper aims to study the extra degrees of freedom that polarization can provide and obtain how to improve the coverage and capacity of MIMO-OFDM wireless communication system. This program firstly study polarization theory, mainly exploring channel modeling of polarization. The first thrust, polarized channel modeling, will develop mathematical reference models and simulation models in polarized environments. These channels include fixed-to-mobile channels, vehicle-to-vehicle channels and indoor WLAN. Then methods of polarization are studied. Based on our mathematical reference models, a statistical analysis and characterization of the channels will be undertaken to validate the reference models with experimental data, and to identify characteristics of our polarized channel models that can be used for improving the capacity and coverage of MIMO-OFDM wireless communication systems that operate on such channels. Channel emulation tools will be developed that are capable of replicating realistic broadband radio channels that vary with respect to polarization, time, space, and frequency. The applications of polarized antennas will be studied. We design some new algorithms for interference rejection in wireless systems and study the use of polarization with space-division multiple-access and transmitter precoding with multi-polarized antennas in MIMO-OFDM wireless communication systems. This program is of importance for enriching MIMO-OFDM wireless communication theory.

MIMO-OFDM 无线通信系统中极化的研究具有重要意义，特别是对于灾害环境下空域受限的移动通信设备。本项目旨在研究极化带来的额外自由度并得出如何增强MIMO-OFDM 无线通信系统的覆盖和容量。本项目首先研究极化理论，主要研究极化的信道建模，开发极化情况下MIMO-OFDM 无线通信系统的数学模型和仿真模型，这些信道包括固定到移动的信道，移动到移动的信道以及室内无线局域网信道。然后研究极化方法，基于提出的数学模型，研究极化的统计特性以便用实验数据验证参考模型，用提出的极化信道模型改善该信道下MIMO-OFDM 无线通信系统的容量和覆盖范围；研究能够复制随极化、时间、空间和频率变化的真实无线信道仿真工具；研究极化天线的应用，设计无线系统中的干扰抵消算法；研究MIMO-OFDM 无线通信系统中采用空分多址和多极化天线的发射机预编码。通过本项目研究丰富MIMO-OFDM无线通信理论。

本项目研究了包括极化和天线互耦效应的通用参考模型，比较了各种多极化MIMO模型，研究了单极化MIMO天线相关性、多极化MIMO天线相关性与天线阵元间距之间的关系，研究了多极化MIMO系统容量随交叉极化鉴别率、K因子、天线间距的变化关系。具体描述如下：MIMO（多输入多输出）技术可以大大的提高无线通信系统的通信容量，目前已经被广泛的应用于LTE系统当中。对于MIMO技术来说，天线之间的相关性是制约通信容量的一大因素。天线之间的相关性越大，整个通信系统的容量就越低，反之亦然。为了降低MIMO天线之间的相关性，我们将电磁波的极化特性引入MIMO之中形成多极化MIMO系统。为了更好地理解和运用多极化天线技术，我们先对极化信道进行了建模。极化信道建模是个很复杂的过程，因为电磁波信号在传播过程中有很大的随机不确定性，其中包括电磁波的直射、反射、绕射、散射等，为此我们研究建立了统计模型。通过统计模型我们发现极化天线大大降低了天线之间的相关性从而提高了通信系统的容量。在极化天线中我们发现一个有趣的结论，极化MIMO的性能并不是一直都是比传统MIMO性能要好的，因为极化MIMO信噪比的损失有可能大大降低了其性能，所以我们也总结了多极化天线的适用性范围。我们进一步研究了极化MIMO容量与信噪比，莱斯因子（K），天线间距等参数的关系，系统全面的分析了极化信道的性能。在大信噪比的条件下，在直射成分占主导的条件下，以及对移动终端设备小型化要求高的情况下，多极化天线都有着巨大的优势。除了统计模型，我们还建立了几何参数模型，重点研究多极化天线相关性低的原理，并且与测量数据进行对比证明了理论模型的正确性。结论表明多极化天线有着很低的相关性，在任何条件下其相关性都比传统MIMO要低，大大降低了天线之间的互耦效应，从而提高了系统的通信容量。本项目提出了大规模天线相关性的三维几何模型，研究了大规模天线的相关性。考虑三种大规模天线设置：均匀线阵、均匀圆阵、矩形阵。当发射机与接收机之间的距离远大于瑞利距离时，我们考虑采用平面波的远场效应。当发射机与接收机之间的距离远小于瑞利距离时，我们考虑采用球面波建模近场效应。研究了信道不稳定性对信号去极化的影响，对大规模MIMO系统进行信道建模。开发出了一种同时包括极化和天线互耦效应的通用参考模型。从密集的天线阵元入手，该模型处理诸如垂直-垂直，水平-水平，垂直-水平，