基于空间损耗场的宽带协同通信信道阴影衰落相关性建模研究

Cooperative communication technology enables the practical implementation of Multiple input and multiple output (MIMO) techonology. In multi-antenna systems such as MIMO and cooperative communication networks, the spacial correlation characteristic is an elementary factor which significantly restrains the communication performance. In our previous works, we have already analyzed the spatial propogation characteristics of the wireless MIMO channel and established its spatial correlation model. Theoretical analysis shows that unlike the MIMO channels, the spatial correlation of cooperative channels is directly determined by the shadow fading correlation. Experiments further confirmed that despite the fact that the distances between different antennas in cooperative networks are large, the shadow fading correlation still exists in certain degree. However, there are only a very small number of shadow fading correlation models available for narrowband channel in limited scenarios and with inadequate accuracy. In our project, we will study the spatial loss field distribution in typical scenarios based on actual measurement activities, and find out the analytical relations between shadow fading correlation and this spatial loss field. Based on these, efforts will also be made to establish the shadow fading correlation model for wideband in cooperative communication networks, which is suitable for multiple scenarios with satisfactory accuracy. This model will serve as a scientific and simulation basis for the design and evaluation works in broadband cooperative communication networks.

协同通信技术为MIMO技术的实用化提供了新出路。在MIMO和协同通信等多天线系统中，无线信道的空间相关性是制约系统性能的重要因素。基于实际测量，我们已经分析了MIMO无线信道的空间传播特性并建立了空间相关性信道模型。理论分析表明，与MIMO信道不同，协同信道的空间相关性由阴影衰落相关性直接决定。实验工作进一步证实，尽管协同网络中天线间隔较远，协同信道阴影衰落仍存在一定相关。现有研究仅针对个别场景给出了精度有限的窄带信道阴影衰落相关性模型。本课题将在实际测量基础上，分析典型场景下空间损耗场分布特性，明确阴影衰落相关性与空间损耗场的解析关系。在此基础上，建立宽带、高精度、适用于多场景的阴影衰落相关性模型，为宽带协同通信系统设计和评估提供科学依据和仿真基础。

协同通信(Cooperative Communication)技术通过允许多用户环境下的邻近用户共享天线、发射功率、频谱等资源，协同地完成信息收发，为单天线用户提供了获得空间分集增益的可能；同时还能够有效延长通信距离，增强网络覆盖，降低功率消耗。.无线传输信道的衰落特性从根本上制约了无线通信系统的性能。协同通信系统中的信息传输采用多跳的方式完成，通信性能由多条链路的衰落特性共同决定。传输路径上主要障碍物引起的阴影衰落是信道大尺度衰落的重要组成部分；两条位置相近的链路会经历相同的障碍物，从而导致它们的阴影衰落之间存在相关性。这种相关影响了协同通信网络的覆盖和连通性能以及协同分集增益，同时也是协同伙伴选择、路由选择协议设计中需要考虑的因素。本文意在通过理论分析、仿真模拟与实际测量相结合的方法，对协同通信信道的阴影衰落的相关性问题以及针对这种相关性的建模问题进行研究和探讨。.本文首先简要介绍了无线链路大尺度衰落特性，分析了大尺度衰落对网络连通性和节点覆盖范围的影响；基于室内信道实际测量工作证明了不同链路的阴影衰落之间确实存在相关；并通过理论分析证明了现有模型都无法直接用于解决协同多跳网络中任意链路间的阴影衰落相关性分析。.其次给出一种基于空间损耗场理论的阴影衰落相关建模方法：假设网络中所有链路的阴影衰落都是由一个基本空间损耗场作用而来，给出损耗场的统计模型；建立单链路阴影衰落与损耗场的解析关系，进而量化不同链路阴影衰落的相关性；构建包含阴影衰落相关性的大尺度衰落统计模型，从理论上论证该模型的合理性。.最后设计了验证阴影相关的大尺度衰落模型的信道测量方案，选择典型室内外测量场景并开展了LOS和NLOS多节点网络无线信道的实际测量；给出阴影相关大尺度衰落模型的参数提取的统计方法并基于实测数据进行了信道特性分析，并提取参数；基于实测数据计算出不同几何关系链路对阴影衰落的实际相关系数，通过与仿真环境下提取的模型相关系数对比证明模型的正确性。