高速铁路场景下3D动态多链路mMIMO信道建模研究

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随着科技的不断更新和融合,未来高速铁路必将趋向智能化,即智能高速铁路将成为未来高铁的重要发展方向之一。世界各国相继投入大量的人力物力对智能高铁展开一系列的科学研究。但是智能高铁的移动通信系统融合了较为新颖的网络架构和新一代的信息技术,所以在设计系统之前,我们需要准确的认知高铁无线信道的相关特性。信道特性研究方法较为广泛,各有优劣,而其中的信道理论建模方法以其普适性好、准确性高等优点受到研究学者的青睐。本文立足于高铁场景下的多链路动态信道,建立合适的理论模型并开展研究分析工作。本文的主要工作内容如下:首先在基于几何的随机信道模型(Geometry Based Stochastic Model,GBSM)理论的基础上,结合高铁多链路的实际通信场景,将共同散射体建模为单球模型,将非共同散射体建模为共焦点的椭圆柱体模型,两个相邻基站以及移动中继分别位于焦点和球心处。本次提出的模型考虑大规模多天线(Massive Multiple Input Multiple Output,mMIMO)技术的两大典型特征:球面波设想和簇的动态演化。同时对多链路信道的关键特征参数,空间互相关函数、时间自相关函数、和速率容量,进行推导;除此之外,基于等体积法建立对应的仿真模型,根据几何模型完成仿真工作,较为全面的分析各参数对信道特征产生的影响;除此之外,本文利用高铁场景下的实际测量结果对GBSM理论模型开展验证工作,验证结果表明本次提出的三维(Three-Dimensional,3D)理论模型具备一定的准确度。然后结合当前的波束赋形技术和窄波束中高频段技术,对理论模型重新进行优化和调整,建立高铁场景下多链路三维mMIMO动态窄波束信道模型。该模型以发射端采用方向性天线的形式将“波束宽度依赖性”的概念引入本次研究中,同时考虑簇在频域的动态演化特性;本次研究对“波束宽度依赖性”和“簇的动态演化”进行联合建模,探究方向性天线的半波宽度、辐射方向以及簇在空域、时域以及频域的动态演化特性对无线信道产生的影响。同时丰富信道特征参数,对信道自相关函数、频率相关函数以及空间互相关函数展开推导并完成仿真与分析。
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