毫米波无线信道测量建模和参数估计算法研究

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无线通信所面临的带宽短缺促使人们对毫米波频谱的探索,毫米波频谱是实现5G的关键技术之一,了解毫米波信道传播特性对5G网络的设计和部署具有重要意义。在毫米波(mm Wave)信道测量中,通常采用可操纵的高增益喇叭天线来补偿巨大的路径损耗,从而获得空间传播特性。然而,从观测到的信道响应中去除天线方向图是一个十分具有挑战性的问题。为此,本文所完成的工作如下:(1)依据毫米波信道探测方法,提出了一种新的信道卷积信号模型,该建模方法有助于去除收发天线影响,并且方便重构信道响应。(2)基于伪逆提出一种低复杂度的天线反卷积算法(DDCAD:Dual deconvolution antenna deemdedding),包括两步反卷积。并通过对办公室场景下空-频毫米波信道的现场测量,验证了该算法的有效性。使用三个具有不同波束宽度和增益的喇叭天线,在72.5至73.5GHz频率下对信道进行探测,观察到的全向信道响应(ACR:Angular channel response)和重构的全向信道响应一致,使用不同喇叭天线算法估计得到的纯信道响应(APP:Angular channel propagation profile)也具有很强的相关性,这验证了所提出的天线去嵌入算法。此外,比较了不同喇叭天线获得的毫米波波段的全向传递函数,并基于传递函数的自相关性分析了信道的相关带宽。(3)基于Tikhonov正则化提出一种天线去嵌入算法。Tikhonov正则化有助于反卷积天线方向图,从而能够在波束域中提取低计算复杂度的传播模型。设计了一种优化算法,选择适当的正则化因子,以减小反卷积中噪声的影响。合成的信道响应精确重构了主要峰值和功率谱的振荡,与观测结果高度一致,验证了该方法能够有效地消除天线效应。(4)同时对3.5、4.9和28GHz下的O2I信号传播进行了广泛的测量,得到了典型住宅楼的路径损耗分布。结果表明,mmwave波段可以通过外窗传播,在室外提供可靠的覆盖,但不能覆盖建筑物的内部。在LOS和NLOS情况下,随着进入建筑物的深度,路径损耗分别增加1.5和6 d B/m。由于低频信号穿透损损耗小,Sub-6G波段可以在整个建筑上提供良好的覆盖。我们还通过水平转向喇叭天线捕获了28 GHz的全向角度功率谱,发现墙壁的反射对房间的全覆盖做出了主要贡献。
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