基于实测的宽带多天线无线信道建模

Realizing broadband and multi-antenna transmission is the dominant trend of future wireless communications and this consequently motivates the research on the associated channel models in order to provide corresponding design insights. Currently, the most widely used ones are the geometry-based stochastic channel models (GSCM). However, they do not appropriately characterize the effects imposed by three-dimension (3D) transmission, polarized propagation and diffuse multipath components (DMC) seen in practical wireless environment. Therefore, this project plans to offer complete channel characteristics in the elevation domain, construct polarized propagation model based on Markov chain and establish specular-diffuse clustered double directional channel model via stochastic analysis on the out-field channel measurement samples. Specifically, the aims are to improve the accuracy of 3D channel modeing, describe the realistic non-linear mechanism of electromagnetic propagation and incorporate the impacts of DMC into the parameterizations of channel angular and delay domains. Evidently, the results can produce significant theoretical and practical meanings on the modeling strategy of GSCM.

实现高带宽和多天线传输是未来无线通信的主流方向，对应的就需要有相应的无线信道模型予以支持。目前应用较广的是基于几何架构统计法的无线信道模型，但其对三维传输、极化传播和漫射多径分量等三方面的描述并不充分。本课题通过对无线信道测量数据的统计分析，给出完备的无线传播垂直维度信息特征、建立基于马尔科夫链的极化传播模型以及镜面-漫射簇的双向信道模型来完善现存三维无线信道建模流程、真实表征电磁波传播的非线性机理以及考虑漫射多径分量对信道模型角度域和时延域参数的影响。研究结果对基于几何架构统计法的无线信道模型具有非常重要的理论价值和实践意义。

现存信道建模理论对3D MIMO信道传播特征、Massive MIMO信道空间非平稳特性、圆极化和线极化电磁波传播特征以及基于几何架构统计法的信道仿真模型中的极化投影问题等四个领域描述并不充分。通过本课题的研究，我们针对以上四个问题提出了相应的解决方案：（1）我们基于对城市宏小区外场信道采集数据的统计分析结果：首先给出了信道俯仰角扩展的统计特性以及信道大尺度参数间的互相关矩阵；其次应用简单的线性模型表述了俯仰面空域信息的距离依赖特征并给出了相关推荐模型参数；最后应用混合VMF分布表征3D信道的空间概率角度谱，很好的表征了方位角和俯仰角互依赖特性。仿真结果表明，新提出的3D MIMO信道模型和实测结果吻合较好；（2）提出了一种基于9状态马尔科夫链进行簇演进的Massive MIMO统计信道建模方法，建立了能够完整描述Massive MIMO信道非平稳和球面波到达特征的信道模型。模型能有效而准确地描述散射簇在天线阵列维度上灭亡和新生的过程，刻画了Massive MIMO中散射簇在阵列空间非平稳的本质特征，同时本建模方法计算量相对较小，能以更少的时间生成具有良好统计特征的信道冲激响应，有利于高效地进行系统级信道模型仿真。模型的有效性通过实测数据得到了验证；（3）基于外场实测研究了圆线极化电磁波在城市宏小区场景下的传播特征，从接收信噪比和均方根时延扩展及其统计分布给出了实测分析结论，揭示圆极化传播相对线极化传播的优越性并描述其适用范围，其优点能改善现存无线通信系统的性能；（4）针对标准基于几何架构的三维无线信道模型未考虑理论场强和天线任意姿态建模对极化方向图的影响，构建合理的天线与传播接口模型，利用坐标系旋转准则，推出极化投影算法，实现任意指向天线的理论场强到极化方向图的映射，使得无线信道模型从理论分析上更加完善、生成可靠信道系数的经济成本降低。