建筑物穿透和室内人体运动的信道测量和特性研究

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近年来,移动通信系统的发展速度越来越快。无线移动通信业务以其低成本又高速的特点得到了更为广泛的发展并继续呈指数式增长。第五代通信系统(5G)的出现,采用了高速大容量的移动通信网络以满足更快和更大数据通信的需求。未来5G技术的应用场景也将越来越广泛,超高清视频直播,远程医疗救助,智能家居等场景将是未来5G重点发展的场景。而在5G未来使用场景的通信网络规划与研究中,更高质量高效率的无线通信系统的建立,重点依赖于电磁波传播过程中准确的信道模型。精确的信道模型有助于估算信号传播过程中的损耗,并由此确定信号的传输特性以及计算基站有效的覆盖范围从而进行小区设计。而精确的信道模型的建立离不开在实际电磁波传播环境中对信道特性的测量与数据分析。信号传播的无线信道可分为三类:室外穿透室内的信道,室内传播信道以及室外传播信道。本文的研究内容为室外覆盖室内的信道与室内信号传播信道的特性探究,并且本文的研究全部基于实际环境中的信道测量结果。在无线信号的传播模型探究中,室外覆盖室内(Gutdoor-to-Indoor,021)的信号传播损耗模型是5CG无线接入网中最重要的传播模型之一。由于在021传播场景中信号穿过建筑的时候有较大的穿透损耗,会显著影响移动通信的数据传输速率和质量。因此,深入探索和了解空间021传播特性是非常必要的。由于实际传播环境具有各建筑物的建筑材料和结构复杂性、接收终端相对于基站的位置多变性、运营商使用的频点各异性的特点。所以为了进一步研究021穿透损耗受到建筑物材料,信号频率和穿透建筑物的入射角变化的影响,本文首先在两种不同测量场景下使用带宽为100 MHz的罗德与施瓦茨信道探测仪进行了一系列021测量。此外,在测量中考虑了入射角和从低频(2.55GHz)到高频(28GHz)的载波频率的影响。然后分析从测量活动中得到的信道数据,在数据分析处理中考虑到建筑材料,频率和入射角对穿透损耗的影响,提出了最终的021建筑物穿透损耗模型。最后,通过与从测量数据中提取的穿透损耗数值进行比较来验证所提出的模型的性能,证明本文提出的模型与3GPP的穿透损耗模型相比,可以更好的拟合测量结果。本文提出的穿透损耗模型可以很好的刻画不同建筑特征,不同垂直入射角度和不同中心频率的建筑物021穿透损耗的特点与区别。对室内信号传播的信道特征研究有助于未来将5G技术应用于家庭监护与医疗养老领域。由于目前世界各国的人口老龄化程度越来越高,独居老人也越来越多,这为家庭老年人护理提出很高的要求。老年人护理的主要挑战之一就是及时发现老人摔倒。受到上述需求的推动,目前新的趋势是设计一套室内非可穿戴设备,利用身体反射无线信号的信道特性来监视家庭用户的活动状态。为了区分不同的室内人体活动状态,我们在模仿家庭住宅环境的室内使用伊莱比特公司的信道探测器与多输入多输出天线在3.5GHz和6GHz频点下进行了测量活动。测试者在室内分别模仿了无人、慢走、摔倒和坐下四种典型的活动状态来探究不同人体活动对固定发端到固定收端(fixed-to-fixed,F2F)的非平稳信道特性的影响。然后对接收到的信号进行数据处理,并根据得到的信道复增益,瞬时多普勒频率谱以及平均多普勒频移三个典型的信道特征参数来判断人体运动状态。最后通过对信道参数的分析,可以成功通过三个典型的信道参数的特征区分出四种人体的运动状态。
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