【摘 要】
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毫米波通信在5G移动通信系统中具有极大的应用潜力。毫米波通信和大规模多输入多输出被广泛认为是5G移动通信系统的候选技术。具备大容量和高数据速率传输性能的毫米波大规模MIMO系统已成为当前的研究热点。掌握理解真实反映毫米波信道传播机理和信道模型具有重要意义。因此,亟需对毫米波信道展开深入研究,建立有效的毫米波信道模型至关重要。本文针对室内外场景进行广泛的实际信道测量,同时自主开发了高性能改进射线跟踪
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毫米波通信在5G移动通信系统中具有极大的应用潜力。毫米波通信和大规模多输入多输出被广泛认为是5G移动通信系统的候选技术。具备大容量和高数据速率传输性能的毫米波大规模MIMO系统已成为当前的研究热点。掌握理解真实反映毫米波信道传播机理和信道模型具有重要意义。因此,亟需对毫米波信道展开深入研究,建立有效的毫米波信道模型至关重要。本文针对室内外场景进行广泛的实际信道测量,同时自主开发了高性能改进射线跟踪算法,探索毫米波信道多径传播的复杂机理,建立符合实际的多径信道传播模型。研究成果将为5G/B5G移动通信网络规划与优化提供理论依据,研究成果主要包括以下五方面:(1)为实现计算电磁学算法自主可控的迫切需求,自主开发了高性能改进射线跟踪算法。该算法实现了对5G无线电波传播提供低成本、可视化、交互性的场景模拟,实现了无线电波传播预测、电磁波传播路径三维可视化以及信道传播特性参数提取。阐述了该算法开发的优势、难点以及技术的先进性,并对开发的流程进行了详细地分析。针对6 GHz以下频段,利用公开发表文献中已有的实测结果与仿真结果进行对比分析,可满足功率值或路径损耗值的标准差优于4 d B,验证了高性能改进射线跟踪算法应用于低频段室内场景的正确性与有效性。(2)针对两种不同结构的无人体的隧道场景进行实际信道测量,同时利用自主开发的高性能改进射线跟踪算法进行仿真,对信道大尺度特性参数、小尺度特性参数的统计建模进行了分析。研究发现仿真结果与实测结果相当吻合,验证了高性能改进射线跟踪算法应用于隧道场景的正确性与有效性。此外,针对有人体的弯曲隧道场景进行了信道测量、仿真与建模研究,提出了两种典型的人体模型。基于实际信道测量和利用高性能改进射线跟踪算法仿真,研究分析了带有人体信道模型精确性的影响。对有人体和无人体的路径损耗模型进行了对比分析,提出了一种适用于弯曲隧道场景的创新信道模型。表征了信道多径散射特性,并基于KPM丛簇算法对多径的丛簇特性进行了分析。(3)针对5G毫米波热点频段28 GHz的典型室内场景进行了广泛的测量、仿真与建模研究,提出了一种普遍适用的用来表征室内视距与非视距场景下的载频为28 GHz与60 GHz毫米波信道的路径损耗模型。研究结果表明,自由空间CI参考距离路径损耗模型表达式更简洁,鲁棒性更强。典型室内场景主要包括小型会议室场景、大型复杂科研室场景、长直走廊场景和十字走廊场景。通过将基于高性能改进射线跟踪算法的仿真结果与实测结果进行对比分析,证明实测与仿真结果一致性吻合良好,从而验证了高性能改进射线跟踪算法应用于毫米波频段典型室内场景的正确性与有效性。(4)针对28 GHz大型高铁候车厅场景,基于均匀虚拟阵列测试方法和旋转线性阵列测试方法,对毫米波大规模MIMO无线信道进行了广泛的实际信道测量、仿真与建模研究。提出了一种普适用于28 GHz大型候车厅场景下的通用信道模型。基于高分辨率SAGE算法从场景的测试数据中提取和估计了多径特性参数。基于高性能改进射线跟踪算法对信道传播特性进行仿真,将实测结果与仿真结果对比分析,验证了高性能改进射线跟踪算法应用于大型候车厅场景的正确性与有效性。此外,基于KPM多径聚类算法对多径丛簇特性进行了研究,对丛簇个数进行了比较与分析。(5)针对28 GHz与39 GHz毫米波频段室外微蜂窝场景,基于高性能改进射线跟踪算法和BP神经网络算法对信道进行仿真建模研究。提出了一种普适用的用来表征室外微蜂窝场景下28 GHz与39 GHz毫米波信道的路径损耗模型。将仿真结果与现有文献实测结果对比分析,验证了高性能改进射线跟踪算法应用于室外微蜂窝场景的正确性与有效性。将基于BP神经网络算法得到的拟合参数结果与基于改进射线跟踪法仿真得到的参数结果对比发现,两者吻合程度很高,验证了BP神经网络算法能很好地对室外微蜂窝毫米波信道大尺度参数进行预测。研究结果表明,RMS DS在毫米波频段微蜂窝场景下,随着频率的升高而增大,到达接收端的多径成簇呈现稀疏性。
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