密集人口环境毫米波蜂窝通信系统信道建模

Dense population enviroment is an important scence in cellular mobile communication systems. This project aims to research the wave propagation characteristic and outage probability in dense populated enviroment for the fifth generation mobile communications. In this project ,firstly, the computer graphics assistive technology was used to construct non-uniform electromagnetic characteristics human model, then, poisson point process are adopted to describe the number, location and direction of the human. Through establishing a dense population enviroment as the station square to explore the reflection, diffraction, shadow electric field characteristics due to the impact of human blockage; Studying the visible probability distribution of the event of human blockage, building efficient accelerate ray tracing algorithm based on probability and statistics to derive the channal model bansed gained path loss, delay spread and angle, multipath information. Analyzing the effect of population density on the SINR, outage probability expressions are given. The study can to evaluate the influence of the human blockage on signal strength of users, to provide the theoretical guidance. for millimeter wave cell design and implementation under dense population enviroment.

密集人口环境是蜂窝移动通信系统中一个重要场景，本项目拟研究第5代移动通信系统中该环境下的电波传播特性以及掉线率；项目主要采用计算机图形辅助技术构建不均匀电磁特性3维人体模型，采用泊松点过程模拟人的数量、位置和方向分布，建立类似车站广场密集人口环境，探索人体带来的反射、绕射、阴影等电场特性；研究人体遮挡可视概率分布，构建概率统计基础上的高效加速射线追踪算法分析所建立的密集人口环境毫米波蜂窝小区电波传播特性的影响，得到路径损耗、时延扩展、到达角、多径信息等参数，建立该传播机制下的路径损耗信道模型；分析人口密度对系统SINR的影响，给出掉线率的概率表示式。通过本项目的研究能够获得人体自遮挡和人体遮挡对目标用户接收信号强度的影响，为密集人口环境毫米波蜂窝小区设计与实现，提供有效的理论指导。

毫米波频段是目前5G移动通信的研究热点之一，相对于低频段，在毫米波频段，由于人体带来的遮挡和吸收特性必须被充分考虑，毫米波传播特性的研究和信道建模对毫米波蜂窝通信系统的系统配置具有极强的理论指导意义。. 本项目首先采用计算机辅助手段建立包含人体所穿织物(主要分为棉布、红皮革、黄皮革)在内的不均匀电磁特性3D人体模型，通过等比例构造实际场景3D模型，对室、内外的密集人体遮挡和多人移动场景进行模拟，利用射线追踪法进行仿真分析电波传播特性，获得了不同人口密度、天线类型、发射机高度下的路径损耗、阴影衰落、时延扩展等信道参数，采用最小二乘法对信道参数进行线性回归分析，得到相应接收路径的信道模型。研究发现，电波传播特性明显受到人口密度分布的影响，且发射机和接收机间距小于100m时，电波传播特性的变化更明显。在两种会议室室内场景中，人体遮挡带来的路径损耗较大，且路径损耗指数大于2。室内人体所坐位置不同，带来路径损耗指数也存在着差异。频率增大，接收功率在减小，路径损耗和时延扩展在增大。在29GHz频率室内多人移动电波传播特性研究表明，不同高度发射机所带来的路径损耗因子、阴影衰落、接收功率、LCR和AFD、时延扩展等电波传播特性均有差异。. 然后，在考虑人体对毫米波天线阻抗特性影响的基础上，自主设计了两款毫米波天线，通过采用计算机图像辅助手段，建立了分层人体头部仿真模型，利用FDTD电磁场数值算法，在分析比较国内外人体SAR的相关标准的基础上，在给定功率下，分析了天线距离人体头部不同距离处的电波能量吸收特性。研究表明，在距离1cm时能量在耳部，5cm时在颈部，10cm时在脸颊比较分散。且距离越远，脸部被辐射的能量呈现减小的趋势。人体头部SAR值随着天线与头部模型距离的增加而急剧减小，在5cm以内的距离，两种频率下的头部SAR值差别还很大。但是在距离大于5cm以后，差别非常小。基本上在10cm以上的距离，人体头部最大SAR值都在规定的限值以内。