信道建模天线优化

研究背景随着无线通讯的发展，多天线技术逐渐成为现代无线通讯中不可或缺的一种技术。通过对多天线的应用，无线通讯不仅有效地克服了多径效应带来的衰减，还利用了多径效应来提升无线通讯系统中的系统容量和系统可靠度，同时也有效地降低了功耗。多天线MIMO技术已经被作为核心技术使用在4G移动通讯系统以及802.11nwifi系统中。研发中的5G系统也将多天线MIMO技术作为核心技术来进行研发。对于海上无线通讯信道，现有的信道模型没有针对多天线技术进行建模。大部分海面无线通讯的信道建模，测试主要关注的是大尺度衰减。仅有的部分针对多天线的测试结果也只关注了天线间分集接收的效果，或者多天线波束赋形的性能，却没有研究多天线情况下MIMO信道和性能。在多天线技术出现以后，标准化组织针对现有的陆地无线通讯建立了基于多天线MIMO的无线信道模型，包括早期的I-METRA和SCM模型，以及后期演进的SCMEWINNERI/II等模型，除I-METRA模型为相关性模型，其他几个模型都是基于射线追踪原理来构建的。现有的模型主要针对了城市，城郊和郊区这3种应用场景来构建，且早期的模型是针对二维环境来构建，因此越来越无法满足需求。因此在5G系统研发中，提出了三维MIMO信道建模的需求。对于海上无线通讯系统的信道建模问题，由于传播距离较远，反射体位置也不同于传统的陆地无线通讯系统，且相对于传统陆地无线通讯，海上通讯面临着由海面波动所带来的复杂海面反射环境。这种复杂的海面反射环境在信道建模中应由垂直角度扩展来体现，而现有的MIMO信道并没有对垂直角度扩展来进行建模，因此现有的MIMO无线信道模型无法应用在海上无线通讯系统中。而对于研发中的基于三维的MIMO信道模型，主要是用于解决无线通讯中的基站间干扰问题，也无法完全适用于海上MIMO无线通讯系统。因此，本课题组希望能对海上MIMO无线通讯系统进行建模分析。研究内容区别于有线通讯，无线信道的传播模型对于无线通讯而言有着至关重要的影响，整个无线通讯的历史就是在对抗无线通讯信道的带来的问题。无线信道的衰减主要可以分为小尺度衰减和大尺度衰减。由于海面环境中富含水汽等散射提，因此海上通讯中大尺度衰减无法通过一般的自由空间损耗来构建。因此，在海上无线信道中，大尺度衰减已经被广泛的研究。多种实验结果提出了结合实际测试的逼近的路损曲线。但是对于海上无线通讯信道的小尺度衰减的研究相对较少，且不太完整。首先，传统上认为海面通讯环境是一个二射线模型，即视距到达的直射径和由海面镜面反射的一条反射径，假设过于简单。但相关测试结果则反映在不同的环境中，海上通讯系统中还存在其他多径能量。如在港口附近区域，由于周围反射体众多，因此多径丰富。再比如，船只上层构造体本身也会产生多径信号，并导致严重衰减。其次，已有的实验结果基本没有考虑多天线对系统性能的影响，也没有对信号到达角和出发角进行数据收集和建模。因此，现有的工作很难用来有效地分析多天线MIMO状况下无线通讯的系统性能。另外，现有的基于多天线的无线通讯信道模型如SCM模型或者I-METRA模型主要针对的是城市，郊区等地形特点，且针对的移动体也是汽车和行人，另外这两个模型也没有对垂直角度扩展进行考虑，因此无法真实反映海上通讯所面临的信道特性。因此我们希望在这个项目中完成如下工作：1.针对海面无线通讯系统的信道状况，结合射线追踪方法来进行海面信道模型的建模。建模时通过对常用场景的分析，研究反射体和收发射机的位置，和场景中反射体位置，通过一定规则随机撒点的方式来构建环境。然后使用射线追踪来计算发射机到达接收机的可能路径，通过分析各条射线的出发角，到达角，时延，衰减，多普勒频移等参数来反映无线信道特性。2.根据信道建模的结果，对海上移动通讯系统中天线阵列进行优化设计。MIMO系统中，天线的摆放位置和天线间距以及天线类型都对MIMO系统的性能会产生较大的影响。因此课题组会结合信道模型来研究天线阵列的优化设计。研究方法：一，信道建模信道建模是通过对实际信道的仿真来重构海面无线信道模型，从而可以通过计算机仿真的方法来达到系统性能研究的目的。相对于实际海上测试而言，其成本较低，并且可根据不同环境来进行重构，因此可重复利用率较高。因此在信道建模时有如下步骤：1.构建射线追踪仿真程序。使用发射机，反射体，接收机的单反射路径或者使用发射机直接到接收机的直射路径来模拟多径信号。考虑到海面通讯中，海面反射以及发射机天线高度较高的情况，需要使用3D射线追踪模型，并假设空间下边缘为反射面，以模拟海面反射效果2.通过在一个空间中等比例地设置发射机和接收机的高度，天线类型，增益，方向角相关参数，天线间的间距等无线通讯基本参数来仿真实际通讯设备。3.根据仿真场景来设置反射体数量，位置，折射率等参数，让反射体按照场景的设定概率分布特征来随机分布在限定的空间中。4.使用射线追踪方法来计算各条路径。并统计各条路径的出发角，到达角。由实际传播距离，结合海面路损模型来计算各条路径的路损，从而得到各条路径上的接受功率。同时，传播各条路径上的传播时延和接受信号的相位也可由传播距离结合工作频段来确定。结合各条多径的参数，就可以计算总接受信号能量，时域冲击响应，时延扩展，最大时延等参数。信道建模中各种场景的参数设置会直接影响仿真结果的有效性。场景参数的获取，可以通过对现有场景相关地图数据的分析来得到。通过对同一场景，不同地域地分析，就可以给出一个反射体分布的通用模型，并用空间中的概率分布函数来体现。在实际项目中可以通过构建，仿真，与已有测试结果对比校验，然后修正的步骤来逐步优化场景参数的设置，以求最真实地反映海面信道特性。二，天线阵列的优化在构建信道模型后，通过对信道冲击响应，到达角，出发角等信道特性的分析，并结合天线类型选择，阵列的设置方式等特性来综合优化天线阵列。并通过实际仿真参数，结合信道容量公式来计算信道容量。通过不同场景，多次随机分布的仿真来得到最优的天线阵列设计方法。路线图：海面无线通讯的信道可以由下图来描述：dHDdv发射机接收机海面反射体其中D是收发射机间的传播距离，dh和dv为天线间的水平距离和垂直距离。从发射机到接收机传播路径主要包括直达，海面反射和反射体反射三者构成。在基于海面无线通讯常规场景分析的基础上，我们认为海面无线通讯主要发生在以下三种场景中：a)港口区域：（15km）此时船只位于港口附近，发射机位于港区。基站和发射机有视距传输条件，但是基站以及船只周围构筑体较多，且距离相对较近，导致基站及周围有丰富的反射，从而带来较大的出发角和到达角的角度扩展。其次，由于进出港船只速度较慢，因此多普勒频移较小。b)远海区域：(15D45km)此时船只远离海岸，信道模型退化为二射线模型。此时可假设海面为镜面反射，根据发送和接收天线高度，考虑地球曲率来计算发射和到达角。此时船只速度相对较快，因此也会有比较大的多普勒频移。c)海峡：船只穿过海峡时，信号经由海峡两岸的山体反射，虽然射线众多，但是由于反射面较为单一，因此角度扩展较小。建模时因考虑反射体位于收发射机相对中点位置进行布设。此外针对天线在船上的位置，如甲板，桅杆或者室内来进一步完善模型。技术路线天线阵列：由于海面无线移动通讯的传播环境与陆地无线通讯的传播环境差异较大，在MIMO多天线设计上需要对下述2个方面进行优化设计。1.天线阵元数的选择：天线阵元数决定了实际可以空间复用的信道数，也就决定了整个MIMO多天线系统的系统容量，但同时实际可构建的信道数又由空间信道的相关性决定，在特定情况下，多天线的性能可能反而会减弱。因此课题组希望能利用海面通讯的信道模型来研究MIMO阵列天线的天线数对实际系统性能的影响，以便提出最适合的构建方案。2.天线阵元的间距和摆放方式：传统陆地通讯系统由于水平角度扩展较大，MIMO天线阵列通常是水平安置的，但是海上无线通讯环境中，尤其在远海环境中，垂直角度扩展较大。因此，需要从新考虑天线阵列的设计方法，以优化系统性能。在天线阵列设计问题中，考虑2个天线的场景，其中a天线的信道响应为：ha(∅)=αe𝑗𝛽√𝑃(∅)则天线b的信道冲击响应为：hb(∅)=αe𝑗(𝛽+2𝜋sin⁡(∅)/𝜆)√𝑃(∅)从而可以得到天线间的相关性函数ρc(𝑑,𝜙0)=𝐸𝜙{ha(∅)hb(∅)∗}因此天线间的相关性取决于天线间距和角度扩展的联合作用。而MIMO信道的信道容量则可以又下式得到：C=Blog2(I+SNR𝑁HH∗)因此，MIMO的信道容量又由天线间的相关性决定。其次，天线阵列的配置使用方式，如复用，分集，赋形等也会改变系统容量，信道增益等相关参数。通过信道仿真的结果，结合天线设计方法来优化天线阵列的。