20世纪90年代后期,多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术的兴起为无线数字通信系统带来了一场技术革新。与正交频分复用技术相结合,MIMO已成为从IEEE802.11无线局域网到4G LTE(Long Term Evolution)系列通信技术的物理层标准,也是5G移动通信以及高速列车无线通信建议规范LTE-R(LTE for Railway)的关键核心技术。为了更好的评估、设计和优化MIMO系统,最有效和最直接的方法就是理解MIMO信道传播机制的空间多样性、定位信道传播环境中的散射体,从而探测每个信道冲激响应分量的出发和达到方向,分析接收天线之间的衰落相关性和预测通信链路的可靠性和容量。目前,获取MIMO信道空域特征的信道测量技术通常有两类方法:机械转动定向天线法和多天线系统测试法。其中,机械转动定向天线的方法,除了耗时以外,只适用于静态信道或者较低多普勒频率信道的测量。随着天线阵列的增大,多天线系统测试法需要对收集到的测试数据进行大量后处理,即使采用高性能的阵列方向估计算法,如MUSIC、SAGE、和ESPRIT,运算复杂度也很高,系统成本大。然而对于一些特殊的场景,如高速铁路列车(High-Speed Railway,HSR)无线信道环境,除了高速移动性以外,极高的安全性要求也让信道测量工作者难以在现有的HSR运行平台上布局复杂的信道探测设备,使得传统的信道测量方法难以实施。基于特定通信场景的空间信道模型是发展基于MIMO无线新技术标准的重要基础,也是评定特定环境下MIMO技术性能的根本出发点。本文以高速铁路列车无线通信系统为背景,探讨高速运动场景下进行MIMO信道测量的有效新方法。本文的主要工作如下:1.提出一种基于双站合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar,BiSAR)技术的新颖信道测量方法。本文将信道测量问题投影到BiSAR场景重构技术中,建立了一个固定发射机和匀速运动车载接收机信道传播环境下的ST-BiSAR(Stationary Transmitter BiSAR)几何模型。该模型很好地匹配了铁路HSR无线通信的特定场景,通过BiSAR的场景重构技术定位信道中的散射体,从而提取信道特征,简化信道测量。2.设计基于ST-BiSAR技术的信道仿真器。信道仿真器将具体的无线通信信道场景映射到ST-BiSAR的几何模型中,分析成像空间的三维分辨率,设计合理的三维成像算法,重构出三维信道场景;基于信道散射体的三维分布地图,提取出信道特征参数。根据成像的散射体图像性能,对比信道特征参数的仿真结果和理论数值,评估出系统性能。本文利用信道仿真器对HSR信道的仿真分析结果,验证了基于ST-BiSAR技术的信道测量方法是可行的。3.实现ST-BiSAR通信环境的三维场景重构。本文采用经典时域back-projection(BP)算法生成多层二维场景平面图像,利用多普勒聚焦原理提取散射体的高度信息,构建出信道散射体的三维地图。通过分析散射体的聚焦成像性能、散射体的成像地图和信道的特征参数值,验证了本文采用的三维信道成像技术是有效的。4.分析影响散射体成像或信道特征参数提取的因素。本文从散射体的位置分布、合成孔径的时间、探测信道的带宽和成像图像的分辨率等方面,详细讨论了这些因素在不同参数设置下对散射体成像性能、信道特征参数提取的影响。从而为未来的研究工作提供参考。5.开展基于ST-BiSAR技术的信道测量现场试验。在充分利用现有设备的基础上,根据最大化性能、最小化成本的原则,本文设计了以通用软件无线电平台(Universal Software Radio Peripheral,USRP)为核心设备的信道探测发射端和接收端。通过平台传输测试、静止测距和位置定位能力对ST-BiSAR信道探测平台的性能进行了验证测试。开展了以固定的车载发射机和近乎匀速运行的车载接收机布局的ST-BiSAR无线通信场景的现场试验。通过试验的初步结果进一步验证了基于ST-BiSAR技术信道测量方法的工程实践性,并指出信道探测设备需要改进的地方。综上所述,本文提出的基于BiSAR技术的信道测量方法的优越性有三点:1).成本低、探测设备简单,单通道足够探测获取MIMO空域特征;2).信道空域分辨率更高,尤其是较长距离的无线传播信道;3).场景适应性强,特别是常规信道测量方法过于复杂、测量设备过于庞大和昂贵的信道场景,如高速铁路无线通信信道。针对HSR信道场景,本文通过信道仿真和现场测试的初步结果验证了基于BiSAR技术的信道测量方法满足理论可行性和工程实践性。