5G及5G后无线通信系统中的非平稳信道建模研究

1、5G及5G后无线通信系统中的非平稳信道建模研究随着智能终端的迅速发展以及网络化，信息化时代的到来，人们对于移动通 信的需 求不断增长。第五代(The Fifth Generation,5G)移动通信系统将提供 20 Gbps的峰值传 输速率，小于1 ms的延时,100万/km2的连接密度，以及支持大于 500 km/h的移动终端 速度。为此，第五代移动通信系统采用了多种革命性的通信 技术，如大规模 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO) 通信、车对车通 信、高铁通信、毫米波通 信等。以上通信技术的应用使得5G无线信道展现出与传统信道截然不同的新型特

2、性，例如, 大规模MIMO言道的球面波特性和阵列非平稳特性，高铁、车对车信道的时间非平稳性， 毫米波信道的高时间分辨率以及频率非平稳性等。这些新型特性是以往移动通信系统中未曾遇到的，给5G信道建模带来了极大的挑战。考虑到现有信道模型的不足，本文针对5G及5G后的非平稳信道建模和特性分析进行了深入研究。具体研究工作和创新点简述如下：(1)总结了 5G信道建模的需求，针对5G典型场 景，即大规模MIMO车对车、高铁、毫米波通信场景，介绍了目前较为重要 的信道测 量和信道模型，阐述了不同通信场景下的信道建模方法。对当前的 5G标准信道模型进 行了归纳和对比，讨论了其优点和不足。(2)提出了基于 WI

3、NNER+的三维非平稳宽带 MIMO言道模型，该模型在WINNERS型的基础上同时考虑了传 输环境中散射体和接收 端的运动。基于簇与发送/接收端的几何关系推导了信道模型的参数，如角度、功率、时延等随时间的变化。使用马尔可夫过程和转换区间对簇的时间生灭现象进行模拟，从而支持长时间/距离的信道仿真。对关键的信道模型的统计特性，如空时互相关函数、 功率谱密度、电平交叉率、平均衰落时间、平稳间隔等进行了推导，仿真。分析了信道的非平稳性对信道统计特性的影响。 使用测量数据对信道模型电平交 叉率和平均衰落时间进行验证，保证了模型的可用性。使用测量数据以及其 它标准信道 模型对该模型的平稳间隔进行对比验证，

4、证明了该模型可对高速场景信道的非平稳性进 行准确模拟。(3)针对更加普遍的车对车传输场景建立了三维非平稳多移动性信道模型。该模型的发送端、接收端以及传输环境中的散射体均可沿任意轨迹变速运动 ，通过模型的几何 关系推导了信道参数的时变性。该信道模型可支持任意形状的天线阵列。根据发送接收端的轨迹，模型考虑了天线阵列旋转对信道特性的影响。 此外，针对 农村、郊区等开阔场景，提出了一个简化高效的二维非平稳多移动性车对车 信道模型，并 推导了时变的信道参数，如角度、时延、功率的近似表达。 对模型的关键统计特性，如 空时互相关函数、 瞬时多普勒频率，多普勒扩展、 平稳间等隔进 行了推导，仿真。研究了发送接

5、收端以及散射体的变速运动对信道统计特性的影响 ，并求得了模型的 空时互相关函数的闭合表达。最后，使用测量数据对模型的多普勒功率谱密度和多普勒 扩展进行验证，保证了模型的可用性。(4)基于信道的空时频非平稳 假设推导了信道的 系统函数、相关函数、功率谱密度 ，明确了其相互转化关系。提出了面向5G和5G后的三维非平稳通用信道模型。通过调节信道参数，该 模型可应用于大规模MIMQ车对车、高铁以及毫米波-太赫兹通信等场景。针对信道在高 速场景和大规模MIMO场景建立了非平稳球面波的高度近似表达，从而 极大降低了模型的复杂度使用统一的生灭过程对信道的簇在时间域和阵列域的非平稳性进行仿真。使用二维空间对数正态分布对发送接收端阵列域的大尺度衰落进行了模拟。针对超宽带毫米波-太赫兹通信，模型通过引入径的频率依赖因子对信道的频率非平稳 性进行建模。针对传输环境中散射体的三维分布提出了椭球高斯散射分布函数，该函数可对多径的水平角、俯仰角以及传输距离进行统一描述,从而支持更高的时间分辨 率和信 道模型的空间一致性。 对信道模型的关键统计特性,如空时频互相关函数,空间多普勒 功率谱密度，阵列相关距离等进行了推导，仿真。使用测量数据以及5G标准信道模型对 部分统计特性进行了对比验证，保证了模型的先进性和有效