特殊场景MIMO信道建模及其稀疏估计方法研究

According to the requirement of mobile communications, many special communication scenarios and frequency bands have appeared. It is of crucial importance to establish accurate and effective channel models and their detection methods, this project try to focus our research on three dimensional (3D) spatial channel models and its Massive Multiple Input and Multiple Output (MIMO) transmitting and receiving technology for those special scenarios. This research objectives are: (1)Analyze the characteristics of special scenarios, effectively solves the problems of multi-bounced propagation paths in specific scene, and put forward the relevant theory of equivalent substitution model; Create accurate and effective channel models for narrow street, tunnel, intersections and outdoor special environments, which reveal the key factors of channel characteristics; (2)From the perspective of eigenvalue empirical probability density function to analyze the special scene of "Massive MIMO" problem, solving the plane wave-front from traditional MIMO channel modeling to the precision of spherical wave-front transformation in channel modeling; Based on the channel models, the received amplitude of antenna element, antenna element fading correlation and the singular value distribution of the channel matrix are discussed; (3)According to the effect of channel fading correlation on pilot optimization design and channel estimation, a new method for designing the optimal pilot pattern and sparse channel estimation for the special scene is proposed; (4)At the end of this research, try to build the channel test system for the channel measurement of certain special scene and many frequency bands, finally the analysis theory should be validated.

信息时代的应用多样性要求，出现了诸多通信特殊场景和应用频段。建立准确而有效的信道模型及其检测方法非常重要。本项目研究特殊场景的三维空间信道模型及其Massive MIMO技术。研究目标是：(1)研究特殊场景特征，有效解决场景中信号多径反射问题，提出相关的等效置换理论模型。构建准确有效的狭窄街道、隧道、路口以及室内外等一些特殊场景的信道模型，揭示其信道特征的诸多关键因素；(2)从特征值经验概率密度函数角度去分析特殊场景的“Massive MIMO”问题，解决从传统平面波MIMO信道建模到精准的球面波信道建模的转换。阐明阵元接收信号强度变化、阵元衰落信号相关性和信道矩阵奇异值分布特征；(3)针对信道衰落相关性在导频优化设计与信道估计的作用影响，设计特殊场景的最优导频图案与其信道稀疏估计的新方法；(4)搭建信道测试系统，完成特殊场景以及在应用频段的信道测定及其与分析理论的验证。

本研究对多种特殊场景的物理空间信道模型及其Massive MIMO技术问题进行了深入研究。在项目组成员努力下，依据任务书规定的研究计划，主要完成了“空地域3D A2G大规模MIMO信道建模与分析”、“漏斗状几何信道模型及其角度参数分析”、“隧道环境的统计物理信道特征参数提取与计算”、“基于密集城市街道的车载衰落信道模型研究”、“单/多载波 MIMO-OFDM 高频谱效率方案以及Logistic映射下N-continuous OFDM加密方案”、“基于深度学习AI算法的OFDM信号与稀疏信道检测”、“降雨环境下毫米波MIMO信道特性研究”、“水声环境UWA信道散射模型参数仿真分析”等基础理论研究和仿真。完成了在3D空地环境A2G Massive MIMO阵列信道，提出了3D单射球形散射体的无人机、车空地大规模多输入多输出信道模型；特别建立和分析漏斗状物理信道模型，解决从传统平面波MIMO信道建模到精准的球面波信道建模的转换，阐明波达信号角度参数与信道系统容量的影响机理；针对多种特殊场景，如室内礼堂、隧道、L型走廊、以及山洞和密集型街道场景，建立了基于统计信道模型的终端Massive MIMO多天线模型及性能评估方法；为解决OFDM 频谱泄露，提出了基于N-continuous符号填充正交频分复用的时域算法，开发了基于深度学习AI算法的OFDM信号检测与稀疏信道估计方法；由于天气因素对信号传播的影响日益增加，提出了以25、30、78GHz的毫米波的3D MIMO空间信道模型；针对特殊的SOC水声信道模型及其计算方法，研究了对水下声波通信环境，设计出相关模型和算法；搭建了MIMO信道测试系统，对测定及其仿真数据进行了分析和验证。项目组按计划进度要求，圆满完成了任务书规定的研究任务，发表论文数和发明专利数均超出验收指标。在IEEE Trans.、IET、中国通信、以及985/双一流华中科技大学、西安电子科技大学和东南大学学报论文42篇，其中SCIE15篇，EI5篇，ESI高被引1篇，IEEE WCSP最佳论文奖1篇。申请与批准专利等7项。获得2019年度江苏省科学技术进步奖2等奖1项，2019年度中国产学研合作创新成果奖2等奖1项，以及2021年度江苏省重点应用型教材1部。