（通信与信息系统专业论文）面向imtadvanced系统的无线信道时延传播特性和mimo应用研究.pdf

每目 。 h 1 翻叫：、 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 彝受酶 日期： 边f 竺：羔：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 北京邮电大学硕士学位论文 面向i m t - a d v a n c e d 系统的无线信道 时延传播特性和m i m o 应用研究 摘要 作为未来移动通信系统的发展方向和技术标准，i m t - a d v a n c e d 系统的候选无线接入技术将向多载波，多天线和协作式传输技术的方 向发展。为保证i m t - a d v a n c e d 候选技术方案评估的有效性，需要对 新技术条件下的无线信道传播特性展开研究。无线信道测量是获取传 播信息的最直接最有效的方法。时延特征参数作为反应无线信道宽带 特性的关键参数，对多载波系统的设计具有重要的指导意义。本论文 考察了i m t - a d v a n c e d 系统的技术特点，基于宽带m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 信道测量，重点研究面向 i m t - a d v a n c e d 系统的宽带无线信道的时延传播特性，以及m i m o 技 术的应用。论文采用实地测量，数据处理，对比分析，理论研究和仿 真等多种方式，完成了如下三部分工作： 一、基于测量设备的工作原理，采用m a t l a b 工具设计并实现了 原始数据处理平台，用于从测量数据中提取信道冲激响应。平台具备 良好的用户接口，可自动读取测量配置，并实现测量文件与系统响应 文件的自适应匹配，操作简单。 二、基于一系列的实地测量和数据处理，分析和研究了宽带无线 信道传播的时延相关特性。研究内容包括i m t - a d v a n c e d 典型场景信 道特性和新型协作式传输信道的研究两部分。基于四个典型场景的测 量，论文对比了测量结果与欧盟w i n n e r ( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v e n e wr a d i o ) 组织的时延传播特性的差异。基于新型协作式信道的测 量，论文研究了载波频率以及室内多楼层覆盖对时延传播特性的影 响，并对比分析了协作式中继信道与传统蜂窝网集中式传播特性的异 同。 三、基于m i m o 和极化天线技术，提出了一种新型极化一空间 相关性模型。模型的天线阵元的极化倾斜角可调整，解决了现有模型 只研究特定配置的局限，适用范围更广。基于该模型，论文进一步研 究了极化分集技术的最优化配置问题，考虑分集增益和信号功率的折 衷，提出了一种基于系统增益的评估模型。论文从理论分析和仿真两 摘要 方面证明，最优的系统配置在接收端恒定为+ 4 5 。极化，在发送端则取 决于角度功率谱和无线信道的极化交叉率。 本论文的研究成果适用于指导i m t - a d v a n c e d 的系统设计，如 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统的循环前缀 的长度和子载波间距的设计，实际场景的极化天线应用和配置等。 关键词：信道测量无线传播特性时延协作式传输m i m o 极化 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd e l a yp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dm i m o a p p f i c a t i o no fr a d i o c h a n n e l s f o ri m t - a d v a n c e ds y s t e m a b s t r a c t a st h eg u i d e l i n ea n dt e c h n o l o g ys t a n d a r d sf o rf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h ec a n d i d a t er a d i oi n t e r f a c et e c h n o l o g i e s ( r i t s ) o fi m t - a d v a n c e ds y s t e m a r et r e n d i n gt o w a r d st h et e c h n o l o g i e so fm u l t i p l ec a r r i e s ，m u l t i p l ea n t e n n a sa sw e l l 褐 t h ec o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o n t oa s s u r et h ee f f e c t i v ee v a l u a t i o nf o rc a n d i d a t er i t si n i m t - a d v a n c e ds y s t e m ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f 豫d i oc h a n n e l si nt h en o v e l c o n d i t i o n ss h o u l db ei n v e s t i g a t e d t h ew i r e l e s sc h a n n e lm e a s u r e m e n ti st h em o s t s i m p l ea n de f f e c t i v ew a y t oo b t a i nt h ec h a n n e li n f o r m a t i o n a st h ek e yp a r a m e t e r st o r e f l e c tt h ew i d e b a n dc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a r a m e t e r si n v o l v e dd e l a y p r o p a g a t i o np l a y a n i m p o r t a n t r o l ei nt h ed e s i g no fm u l t i p l ec a r r i e s s y s t e m s c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e s o fr i t sa n db a s e do nt h ew i d e b a n dm u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) c h a n n e lm e a s u r e m e n t s ，t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h e i n v e s t i g a t i o no fd e l a yp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw i d e b a n dc h a n n e l ，a sw e l la st h e a p p l i c a t i o no fm i m ot e c h n o l o g yi ni m t - a d v a n c e ds y s t e m w i t hd i v e r s em e t h o d so f m e a s u r e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g ，c o m p a r i s o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s a sw e l la st h e s i m u l a t i o n ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o i l o w s ( 1 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm e a s u r e de q u i p m e n t s ，ap l a t f o r mf o rp r o c e s s i n g r a wd a t ai sd e s i g n e da n dr e a l i z e du s i n gm a t l a bt o o l b o x t h ep l a t f o r mw i t hs i m p l e u s e ri n t e r f a c ee x t r a c t st h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s ef r o mm e a s u r e m e n tr e c o r d s i ti s a b l et or e a dt h em e a s u r e m e n ts e t t i n g ，a n dt om a t c ht h es i g n a lf i l e sw i t hc o r r e s p o n d i n g s y s t e mf i l e sa u t o m a t i c a l l y , t h u se a s yt oo p e r a t e ( 2 ) b a s e do ns e r i e so fm e a s u r e m e n ta n dd a t ap r o c e s s i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s r e l a t e dd e l a yp r o p a g a t i o ni ss t u d i e d t h es t u d yc o n s i s t so ft w op a r t s o n ei s i n v e s t i g a t i o no ft y p i c a ls c e n a r i o sd e f i n e db yi m t - a d v a n c e ds y s t e m ，a n dt h eo t h e ri s t h a to ft h en o v e lc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o nc h a n n e l s b a s eo nt h em e a s u r e m e n t c a m p a i g no ft h ef o u rt y p i c a ls c e n a r i o s ，t h i st h e s i sc o m p a r e st h er e s u l t so fd e l a y p a r a m e t e r sw i t ht h o s eo fw i n n e r ( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v en e wr a d i o ) p r o j e c t a s f o rt h em e a s u r e m e n t so fc o o p e r a t i v ec h a n n e l ，t h ei m p a c t so fc a r r i e df r e q u e n c ya n dt h e i i i a b s t r a c t m u l t i p l ef l o o r si ni n d o o re n v i r o n m e n to nd e l a yp a r a m e t e r sa r es t u d i e d m e a n w h i l e , t h ed i f f e r e n c eo fd e l a yp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nr e l a yc h a n n e l sa n dt h e t r a d i t i o n a l l yc e n t r a lc h a n n e l si nc e l l u l a rn e t w o r k si si n v e s t i g a t e d ( 3 ) s i n c et h ea p p l i c a t i o no fp o l a r i z e da n t e n n a si nm i m os y s t e mc a nr e d u c e dt h e r e q u i r e m e n to ft h es i z eo ft e r m i n a l s ，an o v e lp o l a r i z e d s p a t i a lc o r r e l a t i o nm o d e li s p r o p o s e d t h em o d e lw i t hf l e x i b l ep o l a r i z e dd i r e c t i o nr e s o l v e st h er e s t r i c t i o no f p r e s e n tm o d e l sw h e r eo n l yac e r t a i np o l a r i z e dc o n f i g u r a t i o n i sc o n s i d e r e d ，t h u s p o s s e s s e sm o r ea p p l i c a b i l i t y b a s e do nt h en o v e lm o d e l ，t h eo p t i m a lp o l a r i z a t i o n c o n f i g u r a t i o n sf o rp o l a r i z a t i o nd i v e r s i t ys c h e m ea r ef u r t h e rs t u d i e d c o n s i d e r i n gt h e t m d e o f fb e t w e e nd i v e r s i t yg a i na n ds i g n a l sp o w e r , a ne v a l u a t i o nm o d e lr e l a t e dt o s y s t e mp e r f o r m a n c ei s d e r i v e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s i l l u s t r a t et h a tt h eo p t i m a lc o n f i g u r a t i o na tr e c e i v e ri sf i x e da t + 4 5 。p o l a r i z a t i o n ， w h e r e a st h eo p t i m a lr e s u l ta tt r a n s m i t t e ri sd e t e r m i n e db yt h ep o w e ra n g u l a r s p e c t r u m a sw e l la st h ec r o s sp o l a r i z e dd i s c r i m i n a t i o no fr a d i oc h a n n e l t h ec o n c l u s i o ni nt h e s i sc a nb ea p p l i e dt ot h ed e s i g no fi m t - a d v a n c e ds y s t e m ， s u c ha sp a r a m e t e r so fl e n g t ho fc y c l i cp r e f i xa n dt h es p a c i n gb e t w e e ns u b c a r r i e r sf o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) s y s t e m ，a sw e l la st h e a p p l i c a t i o na n dc o n f i g u r a t i o no fp o l a r i z e da n t e n n a si nr e a l i t yc i r c u m s t a n c e ，a n ds oo n k e yw o r d s ：c h a n n e lm e a s u r e m e n t ，r a d i op r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， d e l a y , c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o n ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) ， p o l a r i z a t i o n i v 1 3 课题研究的目的和意义5 1 4 本论文的工作及内容安排。6 1 5 文章资助7 第2 章无线信道测量与数据处理平台。 2 1 信道测量的原理与设备。8 2 1 1 宽带多天线信道测量的原理8 2 1 2 信道测量设备及原理9 2 2 数据处理平台l l 2 2 1 原始数据处理方法1 l 2 2 2 原始数据处理平台的实现1 2 2 2 3 基于c i r 的数据后处理平台1 4 2 3 小结15 第3 章基于测量的宽带无线信道时延特性分析。1 6 3 1 时延参数定义及计算方法1 6 3 2 i m t - a d v a n c e d 典型场景的时延特性分析。1 8 3 2 1 测量场景描述2 0 3 2 2 基于测量的时延特征参数分析2 3 3 2 3 结果汇总与比较。2 7 3 3 新型协作式信道的时延特性分析2 8 3 3 1 载波频率对时延特性的影响分析2 8 3 3 2 室外中继：协作式链路间的时延特性比较3 l 3 3 3 室内中继：跨层传播的时延特性分析3 5 3 4 j 、结3 9 第4 章m i m o 信道衰落特性与应用研究4 0 4 1 i m t - a d v a n c e d 系统的信道模型4 0 v 目录 4 2 m | m o 技术和极化天线的研究现状4l 4 3 一种新的极化一空间相关性模型4 3 4 4 极化分集的最优化配置4 6 4 4 1 系统增益的评估模型4 6 4 4 2接收端配置4 9 4 4 3 发送端配置5 0 4 5 小结5l 第5 章总结展望。5 2 5 1论文工作总结5 2 5 2后续工作展望5 3 参考文献 附录缩写说明 致谢 作者攻读学位期间发表的学术论文目录6 0 v i 北京邮电大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 i m t - a d v a n c e d 技术的发展趋势 自2 0 世纪末3 g 技术完成标准化工作后，国际上对b 3 g 技术的研究也逐步 启动。2 0 0 6 年，国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 已经 正式将b 3 g ( b e y o n d3 g ) 技术命名为i m t - a d v a n c e d ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e c h n o l o g ya d v a n c e d ) 技术。在i t u 对b 3 g 的远景规划中，希望未来的移动宽 带无线通信系统具备更高频谱效率、提供更高数据速率、更好的覆盖和更强的业 务支撑能力。i t u rm 1 6 4 5 报告对新一代移动通信系统提出了可以支持高达 i o o m h z 带宽，在低速移动环境下，用户的峰值传输数据率达i g b i v s ，在高速移 动环境下，峰值传输数据率为l o o m b i t s 的需求 1 】。 i t u r 在2 0 0 8 年2 月向发出通函，向各国和各标准化组织征集i m t - a d v a n c e d 候选技术提案，截止时间为2 0 0 9 年1 0 月。在2 0 0 9 年6 月3 g p p ( t h et h i r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 已经初步向i t u r 提交l ，t e a d v a n c e d ( l o n gt e r m e v o l u t i o na d v a n c e d ) 作为i m t - a d v a n c e d 的候选技术提案，并在同年九月确定了 正式版本【2 】【3 】。中国提交的t d l t e a d v a n c e d 技术方案也成功入围 i m t - a d v a n c e d 的候选技术，成为继t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ) 技术后另一具有中国知识产权的关键移动通信技术 【4 】。此外，i e e e ( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 也将基于 8 0 2 1 6 m 的技术方案向i t u r 提交【5 】。纵观各国运营商和行内各大企业对未来移 动通信技术发展的方向，i m t - a d v a n c e d 系统的主流候选技术将呈现几大特点： ( 1 ) 宽带多载波技术 i m t - a d v a n c e d 系统要求l o o m h z 甚至i g h z 的数据速率，这对系统的频谱 利用率提出了更严峻的挑战。在主流3 g 系统中普遍采用的c d m a 扩频技术采 用高速率的码片传输，在无线信道中将经历更严重的频率选择性衰落，从而造成 码问干扰。对此，宽带多载波技术成为解决高速率传输问题的关注热点，其中以 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术最具代 表性。o f d m 将宽带信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的 低速了数据流，调制到在多个载波上进行传输。每个子信道上的可以看成平坦性 衰落，从而可以消除符号间干扰，信道均衡变得相对容易。2 0 世纪8 0 年代以来， 随着大规模集成电路和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片技术的发展，o f d m 技术开始从理论向实际应用转化。在向b 3 g 4 g 演进的过程中，o f d m 表现出了 第一章绪论 良好的网络结构可扩展性、更高的频谱利用率、更灵活的调制方式和抗多径干扰 能力，因而成为i m t - a d v a n c e d 系统中的主流传输技术和接入方式。 ( 2 ) m i m o 技术 多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术作为宽带移动通 信的另一项关键技术，也已经被i m t - a d v a n c e d 候选方案广泛采用。m i m o 技术 以空间复用和空间分集技术为代表。空间复用利用复散射的传播环境和先进的空 时编码技术，将传播信道分解多个并行的子信道，传输不同的信息流从而提高数 据速率。空间分集则利用多天线或智能天线技术，在接收机处获得数据符号多个 独立衰落的复制品，从而提高接收可靠性。此外，极化天线的应用在第四代移动 通信系统中也得到了充分的考虑。采用极化天线的m i m o 系统，可在相同距离 内提供两倍的天线数，在天线尺寸受限的移动终端是十分有意义的。 ( 3 ) 协作式传输技术 协作式传输如中继r e l a y ，作为l t e a d v a n c e d 对空域扩充的核心技术，对 l t e 标准做出了很大的创新。i m t - a d v a n c e d 系统提出了很高的系统容量要求， 而足以支撑高容量的大带宽频谱可能只能在较高频段找到，因此，i m t - a d v a n c e d 将在已有无线通信系统更高频段处寻求合适的频谱资源。2 0 0 7 年1 0 月，世界无 线电通信大会( w 0 r l dr a d i oc o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c e ，w r c ) 新确定了增加 2 3 0 0 - - 2 4 0 0 m h z 等1 3 6 m h z 的频谱带宽用于全球的i m t 系统，另外， 3 4 0 0 3 6 0 0 m h z 频段还可以指定用于包括中国等部分国家在内的i m t - a d v a n c e 频 段。但是，载波频率的增加将导致小区覆盖下降，同时，移动用户在小区间切换 频繁，网络资源管理负担加重，小区边缘用户很难获得和小区中心相同的业务速 率和q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，这些都是i m t - a d v a n c e d 所面临的 大挑战。 从目前的研究来看，协作式传输被普遍认为是解决上述问题的可行方案之 一。它在传统蜂窝网的基站与移动台之间引入了一个或多个中继节点，共同完成 协作传输的功能。它的优点是增加的多个中继转发链路能够实现分集增益，提高 小区边缘信号质量，扩大小区覆盖面积。更重要的一点是协作式蜂窝网络中的基 封i 可以共用目前运营商的计址，中继可以灵活架设，从而降低工程建设的投入。 因此，基于协作式传输的蜂窝网络架构目前已被大多数研究机构认为是对未来网 络构架的良好解决方案之一。 1 2 i m t - a d v a n c e d 信道的研究现状 任何无线通信系统的标准都需要指定一个信道模型作为性能评估和比较的 基础，而该模型必须充分体现出应用信道的各种特性。为保证i m t - a d v a n c e d 的 候选技术方案的评估的有效性，要求各国和标准化组织的评估工作必须基于合理 2 北京邮电大学硕士学位论文 而真实的无线传播环境进行。关于移动无线信道传输特性的分析，前人已经做出 了许多杰出工作。随着工作频率的提高以及传输信号带宽的增加，i m t - a d v a n c e d 系统的无线信道呈现出了许多独有的特性。值得提出的是，由于m i m o 技术的 优势是建立在空间特性的利月j 上，所以i m t - a d v a n c e d 信道模型必须充分模拟 m i m o 信道的各种空间特性。i t u r 为了评估各国和标准化组织提出的 i m t - a d v a n c e d 候选方案的能否满足其最小需求，从2 0 0 8 年2 月的w p s f 第2 1 次会议开始征集对i m t - a d v a n c e d 评估的信道模型和评估方法。而对于 i m t - a d v a n c e d 的新技术，就需要一个涵盖宽带( 2 0 m h z ) 、m i m o 和r e l a y 等 特征的信道模型。 1 2 1 主流信道模型的发展 研究新无线技术首先要具备精确的无线信道模型和仿真。现在已经有很多基 于测量和分析建立的信道模块来描述信道损耗、大规模和小规模衰落，它们能较 精确地描述现有无线通信系统的传播信道，但远不能满足未来i m t 系统的需求。 因此，与无线通信技术同步发展的还有宽带m i m o 信道模型。 3 g p p 在报告t r2 5 9 9 6 1 6 中提出的s c m ( s p a t i a lc h a n n e lm o d e l ) 信道模型 是基于载频2 g h z 、带宽5 m h z 系统设计的。它是基于散射随机假设，利用通过 统计得到的信道特性，如时延扩展、角度扩展等来得到信道系数并通过在公式中 引入天线间距得到信道之间的相关性。主要定义了3 种场景，即郊区宏小区、市 区宏小区和市区微小区。在3 g p pl t e 中采用的也是这种s c m 信道模型，只不 过实现方法从原来的基于几何统计法简化成为相关矩阵法。s c m e 信道模型是 s c m 信道模型的扩展【7 】。随着系统带宽的增加，s c m e 模型提高了抽样频率， 使每条链路能分辨的延迟数目也随之增大。 欧盟w i n n e r ( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v en e wr a d i o ) 项目通过大量测量开发了 自己的通用m i m o 信道模型，载频范围为2 - 6 g h z ，信道带宽可支持1 0 0 m h z 8 。 w i n n w e 模型的原理以及建模方法同s c m e 一样，采用的是基于几何的射线叠 加法。它利用信道的统计特性在移动台和基站周围撒散射体组，来模拟实际电磁 波的反射、折射等，从而实现对实际信道的模拟。这些散射体组称之为簇，是具 有相似离开角，到达角和时延的径的集合。 i m t - a d v a n c e d 技术评估采用是信道模型是从w i n n e r 信道模型发展而来， 只是对于应用场景进行了重新的定义以及各个场景的参数做了相应的改动，其基 本的建模方法并没有发生变化。其巾定义的四个场景包括室内热点，城市微蜂窝 小区，城市宏蜂窝小区和农村宏蜂窝小区【9 】。 3 第一章绪论 1 2 2 无线信道测量与研究现状 在无线移动通信系统的研发中，面临的主要挑战就是无线传播环境的复杂性 和多样性。在确定用于系统评估的信道模型后，下一步要完成的便是应用场景的 定义和场景参数的确定。评估场景的定义取决与系统需求，而场景参数的确定需 要通过大量的信道测量获取真实的无线传播环境，从而提取模型参数的统计特 性。 欧洲自二十世纪八十年代以来，就利用他们开发的测量设备就对各种传播环 境下的无线信道进行广泛测量和建模，对信道测量和建模的研究促使欧洲在移动 通信系统的研发和标准化上都占尽了先机。2 0 0 5 年，欧洲的w i n n r e 组织在其 信道测量与建模的最终报告【8 】中充分研究了不同应用场景下的详细信道参数， 并建立了通用的w i n n e r 信道模型，为下一代移动通信系统的设计打下了基础。 我国在2 g 、3 g 系统研发中采用的大都是欧洲的模型。但是，由于欧洲与亚 洲地理环境和人口分布等的差异，国外的测量模型也不尽适用于亚洲的情形。因 此，在i m t o a d v a n c e d 评估模型的征集过程中，中国，韩国和日本均在本土开展 了相关的测量和建模工作。从技术应用和系统部署角度分析，开展我国特定地理 环境下宽带的信道测量和建模工作，在候选技术评估阶段融入体现亚洲地区传播 环境的信道特性，十分有利于未来i m t - a d v a n c e d 系统在国内的部署与大规模商 用。 另一方面，w i n n e r 的测量报告只基于传统的集中式蜂窝网络，关于中继的 传播特性研究，并没有给出相关的研究结果。在新型的协作式传输系统中，中继 和移动台的发射天线比周围环境的高度都低得多，这时建筑物的几何形状和室内 布局对电波的传播影响更显著，室外传播环境中所包含物体的尺寸、位置及物体 材料电参数的选取也会大大影响预测的精度，因此建模时必须充分考虑各种传播 环境中散射物的结构特性、天线阵的特性，建立一种空、时、频域的多维信道模 型。目前，w i n n e r 组织已经开始启动w i n n e r + ，将异构网络下的r e l a y 信道 作为工作的重点之一。在世界范围内，各标准化组织关于协作式通信信道相关的 研究也正如火如荼的开展，其中较为活跃的有欧洲c o s t 2 1 0 0 等【1 0 】【ll 】。致力 于下一代移动通信网络研究的欧洲c o s t ( e u r o p e a nc o o p e r a t i o ni ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ) 组织，近年关于中继和协作式传输技术的探讨十分活跃。c o s t 2 1 0 0 于2 0 0 8 年6 月召开了以“m i m o 与协作式通信”为主题的w o r k s h o p ，侧重讨论 多天线、协作式中继等关键技术的发展。调研结果表明引入上述技术对信道模型 的影响得到了广泛的关注，并开展了许多相关的测量工作【1 2 】- 1 6 】。 4 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的和意义 基于无线信道测量，我们可以统计无线环境的传播特性，抽象为信道模型用 于指导系统设计和技术评估。模型参数按其产生机理和影响凶素可分为大尺度参 数和小尺度参数两类。大尺度参数如路径损耗、阴影衰落等反应了信号长距离传 输的平均损耗和固定建筑物引起的随机衰落，可用于确定小区覆盖半径，指导系 统组网。另一方面，随着无线通信新技术的发展，小尺度信号的衰落特性研究的 重要性日渐突出。小尺度参数包括时延特特征参数，空间角度信息，多普勒频移 等。时延特征参数在研究宽带系统的频率选择性衰落，指导宽带系统设计中发挥 着关键作用，它限制了系统不产生符号间干扰前提下的最大可用数据速率。此外， 无线环境的角度信息影响着m i m o 信道的空间相关性，进而影响m i m o 技术的 性能。 纵观信道测量技术的发展历程，信道测量从早期的窄带正弦波探测，正向宽 带、脉冲信号、多天线信道测量方向发展。测量目标也从最初单纯地测量信号场 强转变为信号强度、时延特性、空间信息、极化信息、多普勒频移兼顾的多维信 道参数探测。与i m t - 2 0 0 0 系统相比，i m t - a d v a n c e d 系统的一大特点便是系统带 宽的增加，并引入了多载波技术以克服信号的频率选择衰落。在多径衰落环境中， o f d m 系统要求循环前缀的长度大于最大时延以保证子载波间的正交性。同时， 由时延扩展得到的相干带宽对于子载波间隔和频域导频密度的选取也具有指导 意义。因此，时延传播特性对于下一代移动通信系统设计的重要性毋庸置疑。同 时，协作式技术的引入将使链路的信道特性有别于传统的集中式蜂窝网链路特 性。充分把握新型网络架构下的链路特性可进一步细化系统的设计工作，优化资 源配置，最大程度地挖掘协作式系统的潜在性能提升。但是，目前测量相关的研 究，尤其是基于测量的协作式信道的研究多侧重路径损耗等大尺度参数【1 7 】【l8 】， 专门针对小尺度衰落尤其是时延特征参数研究的文献并不多见。 m l l m o 技术是i m t - a d v a n c e d 系统的另一关键技术。众所周知，m i m o 系统 的性能与无线信道的角度信息密切相关。已有许多文献研究了不同散射体分布环 境下的空间信号相关性，但多基于采用空间分离方式以降低信号相关性的多天线 技术。随着数据速率需求的增长，i m t - a d v a n c e d 系统的所需的天线数目随之增 加。对于天线尺寸受限的移动终端，极化天线技术将成为可行的解决方案。因此， 研究联合采用空间分离与极化天线技术的m i m o 系统的空问相关性成为新的关 注热点。它在m i m o 新技术的链路性能分析和天线配置上发挥着关键作用。 本课题充分调研了i m t - a d v a n c e d 系统的技术特点，重点关注基于 i m t - a d v a n c e d 系统的无线信道传播特性，尤其是小尺度传播特性，开展了一系 5 第一章绪论 列针对系统需求的宽带m i m o 信道测量。从宽带特性，m i m o 技术特点和协作 式传输技术的应用三方面考虑，本课题将具体研究点定位于宽带信道的时延传播 特性，包括传统蜂窝网的传输信道和新型协作式传输信道，以及采用极化天线的 m i m o 技术的应用研究。 1 4 本论文的工作及内容安排 基于第1 3 节的研究意义及定位分析，本课题具体工作为基于宽带信道测量， 分析研究i m t - a d v a n c e d 系统的宽带无线信道的时延传播特性，以及极化天线 m i m o 技术的应用研究。具体内容包括： ( 1 ) 原始数据处理平台的设计与实现 从原始测量数据中提取信道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) 是 传播特性研究的第一步。本课题基于m a t l a b 仿真工具设计并实现了原始数据处 理的智能平台，用于提取c i r 样本。平台具备简单的使用接口，并可自动读取 系统配置，自适应搜索与测量数据匹配的系统文件，减少了数据处理的人工干预 程度。对于大批量数据处理，大大提高了工作效率，简化处理复杂度。 ( 2 ) 基于测量的i m t - a d v a n c e d 典型场景的时延特性分析 i m t - a d v a n c e d 候选技术评估的必选场景包括室内热点，城市微小区，城市 宏小区和农村宏小区四个典型场景。本课题依据i m t - a d v a n c e d 关于这些场景的 定义部署相应的测量场景。通过数据处理平台提取c i r ，对比分析了四个典型场 景的时延传播特性，并与w i n n e r 组织基于欧洲典型场景测量的结果进行对比。 ( 3 ) 新型协作式信道的时延特性分析 考虑中继技术的引入对时延传播特性的影响，课题还开展了相应的协作式信 道测量工作，主要研究包括： 载波频率对时延传播特性的影响； 城市微小区中继信道( 包括巾继到移动台，基站到中继信道) 与传统蜂窝嘲 信道时延特性的对比： 室内中继的时延特征参数研究，主要考虑跨层覆盖对时延传输特性的影响： ( 4 ) m i m o 系统中的极化技术应用研究 考虑到m i m o 系统中采用极化天线技术可在相同天线尺寸内提供两倍的天 线数目，本文提出了一种新的极化一空间相关性模型。该模型中，天线阵元的极 化倾斜角可调整，解决了现有模型只研究特定角度的局限，适用范围更广。i 司时， 极化倾斜角的配置也影响系统性能，需要在极化分集增益和信号功率间进行折衷 选择。本论文针对此开展了相关的研究工作，提出基于系统增益的评估模型，用 于研究不同传播环境下的最优极化配置，为i m t - a d v a n c e d 的m i m o 技术尤其是 6 北京邮电大学硕士学位论文 极化分集技术提供相关建议。