大规模多天线无线信道及容量特性研究

基站端配置大量天线构成的大规模多天线系统,可以进一步挖掘空间域增益,大幅度提升无线通信系统传输容量和功率效率.从理论上看,大规模多天线系统获得空间域增益的前提条件是传播环境中的各子信道满足正交条件.准确的获取无线信道信息是通信系统研究的基础,它为通信系统的链路级仿真、样机试验和标准制定提供理论基础和技术支撑.本文研究了大规模多天线无线信道的特点,总结了国内外大规模无线信道的测量与建模,通过随机矩阵特征值经验概率密度函数角度研究了Massive MIMO无线信道的信道容量,并给出了球面波信道建模和阵列域的相关性与非平稳特性为下一步的两个研究方向.     

基于测量的大规模多天线无线信道时间色散特性分析

大规模多天线系统可以利用空间分集技术进一步挖掘空间域增益,从而大幅度提升无线通信系统能量效率和功率效率.真实可靠的信道模型是无线通信系统设计和实践的基础.本文基于大规模多天线系统的真实测量,研究了大规模多天线无线信道的时间色散特性,并对比了1.472 5GHz和4.45GHz两个中心工作频点下无线信道的多径时延功率分布、均方根时延和相干带宽等测量结果.结果证明:传统通信系统中广泛接受的平稳非相关散射的理论假设不成立,在大规模多天线系统中多径衰落呈现一定的相关性.     

基于射线跟踪法的隧道无线信道特性

城市地下轨道交通的隧道环境与地上环境的移动通信有显著不同,为发展应用于隧道环境中的无线通信系统,需要对隧道中的无线信道特性进行研究.本文使用射线跟踪法对隧道环境无线信道进行仿真,并将仿真结果与实际测量结果进行对比,对比结果表明:基于射线跟踪法的信道模型,能够较准确地预测隧道中的大尺度衰落和信道冲激响应等信道特性.在此基础上,又对隧道中的MIMO(多输入多输出天线)系统信道特性进行仿真,仿真结果得出结论:隧道环境中MIMO空间相关度在天线阵列方向上显示出波动性,波动周期与传播信号的波长成正比.     

一种3D Massive MIMO Kronecker信道模型

为建立适用大规模MIMO系统性能分析和评估的信道模型,提出了一种3D Massive MIMO Kronecker信道模型。在传统3D MIMO Kronecker信道模型研究基础上,利用生灭过程建模散射簇在阵列轴的非平稳演变来表征Massive MIMO信道的非平稳特性,将生灭过程的影响抽象为幸存概率矩阵。通过仿真实验可以验证,所提信道模型不仅能够表征大规模天线阵列的空间相关性,而且可以描述散射簇在大规模天线阵列轴上的演变。     

MIMO无线信道仿真模型分析

为了设计高性能的多输入多输出(MIMO)无线通信系统并预测其性能,对不同条件下的MIMO无线信道进行精确的建模和仿真是必不可少的.从MIMO无线信道模型分类、建模与仿真和天线间空间相关系数计算方法等方面,对典型MIMO信道模型和不同角度功率谱(PAS)分布下天线间空间相关系数的计算方法进行了详细阐述.给出了不同PAS分布下相关系数的统一计算公式和特殊入射角时的化简结果.介绍了锁孔(Keyhole)效应引起的信道退化现象.对相关系数矩阵的计算和不同PAS分布下天线间的相关系数进行了计算机仿真.仿真表明,天线间的相关性与中心入射角、角度扩展和天线间距有关,应用中需酌情考虑.     

随机桥过程建模超宽带多径传播信道

使用随机桥过程研究超宽带（UWB）多径传播信道。首先介绍随机桥过程的理论基础．然后引入能够建模无线信道传播特性的基本随机变量。给出随机桥过程建模UWB多径传播信道的两个假设条件，使用布朗桥过程建模UWB无线传播信道，得到有约束布朗桥信道模型，同时还给出使用随机桥过程方法建模UWB室内多径信道特性的算法和伪代码。使用该信道模型对典型室内传播环境进行仿真分析。仿真结果表明，得到的UWB信道的特性和使用一致性劈绕射理论（UTD）方法得到的信道特性结果非常相似，信道特征参量的取值与经验参数相符。     

大规模MIMO系统中的双向搜索天线选择算法

大规模MIMO(Massive MIMO)拥有众多天线,如果按照传统的方式配备等量的射频链路,势必会大幅度增加硬件成本及系统复杂度.天线选择技术能够在不损害多天线系统优势的前提下,使射频链路成本明显下降.天线选择的主要方法其思想是在全部天线中选出部分天线传输数据,从而使射频链路成本不再成为限制因素,在实际的无线信道中,信道状态变化多样,为了达到所需性能指标,通信系统需要选择不同数目的天线进行数据传输,而现有的天线选择算法往往只适用于固定天线数的场景.本文针对多变的信道状态,基于递增选择算法与递减选择算法提出了双向搜索天线选择算法,能够灵活应对不同的天线数需求,并且保持了较低的计算复杂度.     

一种基于电磁散射理论的多天线无线信道模型

技术被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为宽带无线接入、3G等无线通信领域的研究热点。研究了现有应用环境下MIMO无线通信系统的信道建模理论与方法，提出了一个基于电磁散射理论的多天线无线信道模型，对其性能进行了计算机仿真，并与相关文献结果进行了比较分析。     

MIMO无线信道建模研究

对于无线通信系统的设计而言,信道模型的建立非常重要。本文首先简单介绍了无线信道的特点,包括多径效应与多普勒频移。然后主要研究了MIMO信道的建模过程,并给出了MIMO信道的数据模型与推导过程。     

多天线无线信道探测器及室内信道分析模型

为了准确描述多天线(multiple input multipleoutput,MIMO)宽带无线信道特性,设计了射频中心频率为3.52 GHz,带宽为20MHz的7×7 MIMO无线信道探测器。为了减小无线信道探测器中天线阵列辐射的方向特性对测量分析结果的影响,该文在暗室中对天线阵列的方向特性进行了测量,并建立了在使用较小的暗室、天线尺寸不可忽略的情况下,校正天线方向图的模型。此外,还建立了当室内反射物与接收天线阵列距离较近时,计算电磁波到达方向(DOA)的分析模型,给出了测量与分析的示例。仿真结果与测量结果表明,所建立的室内近距离模型比远距离模型估计更为准确。     

大规模MIMO系统中基于DFT信道估计的导频污染消除方案

在大规模MIMO系统中,当基站不存在协作时,随着基站天线数的无限增加,快衰落效应和非相关噪声都能被平均掉,导频污染成为制约大规模MIMO系统性能的瓶颈。基于此,本文提出了一种基于离散傅立叶变换(DFT)信道估计的导频污染消除方法,在时域信道冲击响应中通过DFT和IDFT变换把有用的信号长度之外的污染信号当成一个样本,利用有用信号之外的污染信号样本生成一个阀值,通过引入这个预设的判决阀值,筛选出有效的信道冲击响应,消除导频污染造成的干扰。改善了信道估计的性能。仿真结果表明,在大规模MIMO系统的信道环境下,本文提出的方法可以进一步提高信道估计的精度,提高大规模MIMO的性能。     

Review of wideband MIMO channel measurement and modeling for IMT-Advanced systems

In October 2005,the next generation mobile communication system was officially named as the International Mobile Telecommunications-Advanced(IMT-Advanced) by the ITU Radiocommunication Sector(ITU-R).Wideband multiple input and multiple output(MIMO) channel models in multiple propagation environments are fundamental for IMT-Advanced systems and such research has been initiated since 2003.The research challenges come from the fact that the wider bandwidth(20-100 MHz) and the advanced multiple antenna technology have been proposed for the IMT-Advanced system,thus leading to higher sampling rates and multiple spatial propagation channels.In this review,four aspects of wideband MIMO channel measurement and modeling are discussed:(1) radio channel measurement procedure and equipment;(2) large scale fading models;(3) small scale fading models;and(4) MIMO channel models.In particular,the large scale fading affected by the carrier frequency is investigated for urban macrocells and it shows that the higher carrier frequency results in greater loss for non-line-of-sight(NLoS) conditions in the cities of China,for which the frequency dependent factor is 32.1.Moreover,the dense and the obviously higher buildings also lead to a larger angle spread(AS) of both the angle of arrival and angle of departure in urban macrocell scenarios.The results indicate that there is the potential to explore the MIMO technique for an IMT-Advanced system with larger ASs,which would lead to the high system capacity.The progress on MIMO models is described and some methods for simplifying geometry-based stochastic channel models(GBSM) are proposed.Finally future research topics on channel measurement and modeling are identified.     

基于张量分解的大规模多输入多输出天线预编码

提出基于张量分解的大规模多输入多输出(MIMO)天线预编码方案,利用张量分解对高维天线发送数据的降维,保持数据的低秩多维结构特征,获得更加有效的数据表示;同时,通过联合天线和用户信号的空域和时域的相关性,实现发射分集,克服大规模MIMO信道衰落和降低发射误码.通过仿真结果表明该方案适用于大规模MIMO系统.在相同条件下,与传统方案相比,误比特率更低.     

大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术

针对大规模多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)网络中随基站天线数目与用户终端数目增多而引发的用户间干扰(inter user interference,IUI)问题,提出一种面向大规模MIMO的时间反演(time reversal,TR)预编码抗干扰技术。该方法在MIMO系统中先后历经信道探测、多径信道建模、干扰信道分析以及信道预编码矩阵设计,实现时间反演预编码信号在多径信道中IUI抑制传输,一方面在时间反演技术基础上进行信道优化,利用时间反演技术的时空聚焦性实现能量聚焦;另一方面利用迫零预编码技术降低大规模MIMO系统中用户间干扰与共道干扰。MATLAB仿真结果验证了基站天线数目、用户端终端数目对于大规模MIMO系统性能的影响,结果证明,时间反演预编码抗干扰技术可以使平均误比特率减小,并显著提高信干噪比和大规模MIMO系统的可达速率。     

Performance Evaluation of a Four-Element Antenna Array with Selection Circuits for Adaptive MIMO Systems

Reconfigurable antenna arrays increase the flexibility of adaptive MIMO systems. At present, most designs have adopted antenna arrays with reconfigurable elements. However, antenna selection is also an effective method, which has not been fully investigated. In this paper, the potential benefits of a four-element antenna array with selection circuits in the UMTS band (1920–2170 MHz) are explored. The array has eight pin-diodes embedded in the feeding network to select any sub-set of elements. For evaluation, an adaptive MIMO system was set up and a measurement campaign was taken in an indoor multi-path environment. The measurements were performed over a 300 MHz bandwidth centered at 2.05 GHz, covering the UMTS band. The results show that different channel conditions prefer different antenna array configurations. Therefore, in varying channel conditions the antenna array can support antenna selection algorithms to select the best sub-set of elements to increase channel capacity.     

基于混合方法的室内毫米波传播特性研究

为了研究室内毫米波的传播特性,结合射线跟踪法(ray tracing, RT)和时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)各自的优点,提出了一种基于射线跟踪法和时域有限差分法的混合方法。介绍了混合方法的基本思想,给出了混合方法建模步骤,利用射线跟踪法分析较为空旷的区域,而对于射线跟踪法不能准确预测的含有复杂间断点区域,用时域有限差分法进行了分析。探讨了发射信号频率为60 GHz,室内和室外到室内2种仿真环境下接收信号场强随距离变化的分布以及某一定点接收信号的时延信息。仿真结果可知,复杂环境下混合方法比射线跟踪法的精度高;在接收点的计算量上,混合方法比时域有限差分方法的计算量少。由此表明,混合方法是一种行之有效的方法,能够准确地预测毫米波的传播特性。     

一种MIMO复合信道容量研究

为了解决信道利用率的问题，结合MIMO信道相关模型、路径损耗、阴影衰落以及Rayleigh衰落，提出了 一种复合信道模型。通过对信道容量的仿真分析表明，天线空间相关性对信道容量的影响会随天线数量的增加而 增大，同时路径损耗与阴影衰落会极大削弱分集增益，导致在发送距离较远时MIMO系统失效。通过容量分析， 证明该模型能在实际系统设计中，为天线阵列与传输距离的选取提供数据依据。     

基于时变频率选取的MIMO无线信道仿真模型研究

针对在复杂的无线通信环境中多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）信道建模非常困难的问题,提出了一种具有空间选择性、频率选择性、时间关联性的MIMO信道模型,将载波频率、最大多普勒频移、到达角（Angle of Arrival, AOA）分布、角度功率谱以及相邻天线间距等技术整合到一起,研究了不同角度频率谱（Power Azimuth Spectrum, PAS）分布的空间关联系数表示。仿真结果表明,这个关联信道容量与理论信道容量一致,从而验证了该模型的合理性,同时,该模型为MIMO容量、系统容量分析及性能评估仿真提供了有力的工具。     

级联LDPC编码的协作MIMO系统研究

为满足无线传感器网络应用MIMO技术的需求,构建了基于分簇的协作MIMO系统,并对传输过程进行了分析.针对系统受发射端簇首节点与协作节点之间信道质量影响较大,存在误码传播的问题,设计了级联LDPC编码的协作MIMO系统,详细分析了接收端LDPC分层译码算法的实现过程.仿真了簇首节点与协作节点之间相同信噪比情况下不同天线数目的误码性能,簇首节点与协作节点之间不同信噪比情况下相同天线数目的系统性能和2发1收、2发2收级联LDPC编码的协作MIMO系统性能,可以推广到多发多收系统.仿真表明:级联LDPC编码的协作MIMO系统可以有效地解决协作MIMO系统误码传播的问题,显著的提高协作MIMO系统的性能.并且仿真中接收端采用的LDPC分层译码算法,在相同仿真条件下,与传统的BP译码算法相比,收敛速度更快,纠错性能更好.