验证天线建模方法在IMT-Advanced通道模型

文摘

摘要天线建模方法在国际移动Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced)通道模型验证的现场通道测量在2.35 GHz的室内场景。首先,2×2 MIMO信道冲激响应(cir)记录与实际天线引用。第二,新闻从可用IMT-Advanced通道重建模型与现场实际天线的模式和更新空间参数从类似的场景中提取测量。然后对比背景和重建的背景是由相干带宽,特征值的分布,故障能力,和各态历经信道容量。发现重建结果密切相干带宽近似真实的结果,正确描述统计特征在频域。现场巡回法院相比,重建的圆形空间相关性的影响有两种类型的天线更广泛的低估导致通道中断容量的5%。由于疏忽之间的耦合天线和天线的近场效应,这种建模方法将产生巨大影响广播频道的特点,尤其是在空间特征。

1。介绍

多输入多输出(MIMO)系统,部署空间上分开多个天线元素传输链路的两端,必须被认为是最有前途的方法之一,高数据速率和更可靠的无线系统,没有额外的带宽。结果表明,MIMO系统的信道容量潜力增长与天线双线性独立同分布(先验知识)通道模型(1,2),但信道衰落相关性影响的能力通过修改这些平行渠道的收益的分布3]。根据这个,能力最终取决于使用的传播信道模型。

最近,为了获得准确的信道容量估计,许多验证通道模型(4]。在[5),一个模型基于信道协方差矩阵的张量积结构已经假定信道容量进行了分析,并扩展到宽带MIMO信道模型在6]。但在(7),这是证实了克罗内克模型不能描述多径结构正确。例如,克罗内克MIMO容量预测的模型总是低于从提交测量中直接提取的能力。另一个重要的宽带MIMO空间信道模型,国际移动Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced)通道模型,被认为是一个合适的信道模型来预测MIMO信道容量。这个模型是一个线性几何随机信道模型,采用多路径叠加法生成信道系数。通过将多路径通道模型到多径传播信道模型和天线模式模型,这个模型不仅描述多径信道参数,还可以配置任何类型的天线阵。这个模型很流行调查的影响天线阵配置能力和算法的可靠性。用户的影响出现在MIMO系统的性能数据和语音使用场景进行(8),得出用户的使用有很多对连接性能的影响。

虽然这方便建模方法分析不同天线配置信道特性的影响,基于双向通道模型,多路径参数生成独立于特定的天线,它的配置,其模式。与此同时,这对天线通道模型忽略了不理想的问题将影响传播特性,如实际天线模式,天线间的耦合,和人类的身体。作者的知识,没有调查来验证实际的影响天线天线的空间信道模型。所以还不清楚它是足够准确的模型结合天线的天线的影响模式和多路径传播渠道。

摘要活动区实测MIMO信道冲激响应(cir)首先记录与实际的偶极天线(DPA)和真正的终端平面inverted-F天线(PIFA) [9)作为参考,信道测量是在室内进行的场景。第二,新闻更新空间重构从IMT-Advanced信道模型参数与全向天线阵列(ODA)测量和提取空间交替广义期望最大化(SAGE)算法,和实际的天线模式的影响也将通过结合天线模式和多径传播信道矩阵操作。然后比较字段数据和重建数据是由一些指标的MIMO信道(10),如相干带宽,特征值分散,中断容量和各态历经信道容量。

本文的其余部分组织如下。统计信道模型,介绍了信道测量和数据后处理部分2。部分3介绍了结果和分析。测量数据之间的信道特性的分析和重构数据,例如,在部分频域3.1和空间域的部分3.2,分别。能力分析提出了部分3.3。结论部分4。

2。验证框架

为了验证天线模式的准确性IMT-Advanced信道模型的建模方法,首先定义线性时间变体MIMO信道响应的MIMO信道复杂的矩阵的维度,在那里接收天线的数量和吗是发射天线的数量。通道矩阵有关复杂的输入向量到复杂的输出向量在添加一个象征期间高斯白噪声向量如下:

2.1。信道模型:IMT-Advanced

在IMT-Advanced通道模型(11),空间和时间分布MIMO信道参数化描述。实现一个由六个二十子路径组成的路径。所有计算为每个子路径的参数实现。时间通道矩阵在是由IMT-Advanced程序为每个路径叠加的子路径。条目的是

索引和对应的接收和发射天线元素,分别。的是载波的波长。路径索引的数量子路径的数目。的和被定义为的字段模式接收和发射天线元素,分别在(3)和(4)如下:

的代表之间的距离th接收天线元素和第一个元素场的模式吗上的接收天线元素th极化,。对于发射天线元素,和持有相同的含义和,分别。的,,,表示传播延迟、多普勒频移的方位出发(AoD)的方位(AoA)的到来子路径传播。的偏振矩阵子路径被定义为 在哪里表示的极化增益子路径的th极化组件极化组件。

2.2。验证方法

rational IMT-Advanced通道的模型是基于双向移动无线信道的概念(12]。通过将无线信道模型(包括天线)到多径传播信道模型(包括所有的天线)和天线模式模型,这种建模方法是受欢迎的在与多个天线研究双方的通信链接。在贵会的建模,IMT-Advanced通道模型结合天线响应和多径传播信道矩阵操作获得重建的背景。这一方法的可行性将专注于。

在这篇文章中,圆形的在(1)分别获得,通过现场测量和模型重建。直接数据(提交测量)记录通过通道测深仪DPA PIFA数组和真正的终端。间接的数据由IMT-Advanced通道重建模型与天线模式相同的天线阵列用于直接从测量数据记录和传播渠道中提取参数与特战分队在同一场景。下面的洞察通道测量和通道重建。

所以很多通道进行测量活动获得的原始数据。根据特定需求,需要三种类型的测量天线阵列,该战略有关,包括PIFA和官方发展援助。此外,德通社的天线模式和PIFA需要校准和在测量之前。数据采集结束时,四组的新闻。他们是收集该战略有关,从现场测量与PIFA收集的现场测量,重建IMT-Advanced信道模型与该战略有关的天线模式,和重建由IMT-Advanced PIFA天线模式的信道模型。收购的背景后,分析通道特征将被执行。

2.3。测量天线

在现场通道测量,三种类型的天线阵测量期间使用,包括分区、PIFA和官方发展援助。现场巡回法院收集利用分区和PIFA天线阵测量。在发射机(Tx),两个该战略有关使用天线间距。与此同时两个该战略有关在接收机天线间距和基本PIFA (Rx),分别。测量远场辐射模式和给出了图1针对每个MIMO天线。模式是以dBi方位平面(- - - - - -所有天线有图)2。这两个和DPA的现场辐射模式和PIFA附近的笔记本电脑。

为了捕捉多路径通道参数精度高、特战分队组成的56个正交极化元素用于Tx和Rx。所有的元素都安装在一个圆柱体,相邻元素之间的间距是波长的一半。数据3(一个)和3 (b)分别描述结构和天线的官方发展援助模式。收集到的数据与这是归类为天线阵不使用,测量数据直接数据但用于提取信道参数。然后通过通道重建这些通道参数和相应的天线模式。

2.4。测量系统和环境

执行一个广泛的测量活动在中心频率为2.35 GHz 50 MHz有效带宽,使用Elektrobit PropSound通道测深仪。详细描述(13),测深仪在时分多路复用(TDM)工作模式。因此周期伪随机二进制信号传输不同Tx-Rx天线对序列。间隔内所有天线对所听起来一旦被定义为测量周期。测量设置的一些重要特性,可以在表中找到1。因为数据总线的带宽限制和天线元素的数量,代码长度测量系统被配置为63当使用oda作为测试天线。

测量是在室内进行办公区域。开放的布局区域见图4(一)。应该注意到,在开放区域,美联社表明Tx的位置固定在2.35米,而Rx天线阵是固定在桌子上用红点。

2.5。数据后处理

在数据后处理中,法院首先从原始数据转换。由于测量系统的带通滤波器的影响,和10%的基带信号的高频部分是减少在后处理。所以现场巡回法院和,作为直接的背景。和SAGE算法应用于从圆中提取信道参数。作为一个扩展的最大似然(ML)方法,SAGE算法提供了一组参数的联合估计,,天线阵的反应上没有限制。所有这些参数的定义是一样的部分2.1。为了捕获所有主导路径,描述准确的传播环境,120年完全路径最强大的力量是提取每个测量周期,即。

角扩散在所有场景都是列在表中2。如表所示,角是一致的估计从IMT-Advanced传播通道模型在室内场景。

2.6。通道重建

基于IMT-Advanced通道模型估计参数组从背景中提取,测量了天线阵辐射模式和纳入通道模型获得重建的背景。通道重建遵循形式如下:

天线的模式Tx可以重写,而天线模式可以重写Rx或。所以重建的背景是用和,分别。因为有两个天线元素在双方的链接,在(6)。

3所示。分析和结果

分析特征值扩散通道的能力,相应的频率转移函数可以通过应用傅里叶变换获得圆形的吗。传输信号的频谱显示sinc函数,在频带边缘信号强度很弱。因此,只有40 MHz的乐队是用于计算。假设的样本,然后 在哪里和采样时间间隔在时间域和频率域,分别。傅里叶变换之前,噪音水平估计应该减少添加剂的影响噪声通道的固有特性(14]。和噪声水平将以现货4−71分贝。去噪后大约6延时水龙头是留给重建数据和现场测量数据。保留权力的背景信号与噪声的占96%。

图5显示了延迟域响应cir从现场测量数据和重建数据该战略有关。很明显,噪声级以上重建数据可以适合野外测量数据在延迟域。

3.1。相干带宽

基于测量和重建的背景,延迟概要文件可以计算为

然后是一个常见的正常化是必要的概率密度函数(pdf)。所以延迟传播可以计算 在哪里是期望算子对所有通道实现。相干带宽的定义是频率相关函数的带宽高于0.9,然后可近似地得到相干带宽

自天线配置应用于每个测试用例,有四子信道之间的传输/接收天线对贵会的每组。表3显示满足一定的相干带宽(CH1 ~ CH4)现场新闻和重建的背景以现货4。从数据的现场测量圆,相干带宽DPA和PIFA之间的差异并不明显。CH2和CH4的小相干带宽的差异可以归因于非理想的天线模式的PIFA方位平面如图2 (b)。出于同样的原因,重建cir相干带宽的的区别也小。

它也表明,场的相干带宽测量圆和重建在数值近似。所以很明显,基于IMT-Advanced通道模型的重建方法DPA不会扩展或压缩圆形的宽度在延迟域和不会改变频域的统计特性。但重建cir PIFA会高估了相干带宽,尤其是CH2和甲烷。这是因为不同的偶极子天线的全向天线增益的不理想的问题PIFA模式压缩圆形的宽度和减少延迟的离散域。由于疏忽不理想的天线模式建模IMT-Advanced通道模型,重建的数据将实施一个伟大的对系统评价的影响。在现实环境中,更严重的符号间干扰(ISI)将导致退化的mimo - ofdm(正交频分复用)系统的性能。

3.2。特征值分散

MIMO的传递矩阵本的频率th时间实现,奇异值分解)可以获得 在这两个矩阵和矩阵酉矩阵,是吗矩阵的奇异值的。这些奇异值的属性是th的最大特征值。,有序的特征值th频率本时间通道实现。的排名是通道。特征值色散(ED),这是一个重要的指标的MIMO信道,通常用于描述的权力特征值之间的相对差异。在本文中,我们使用作为一个度量的。被定义为 这是几何和算术的比率意味着特征值的吗。是一个有用的品质因数,描述了一个数字(15]。指出,在小的情况下,趋向于统一,而在高教育的情况下,趋向于零。

表4显示了特征值的平均值和标准偏差的MIMO信道色散贵会和重建的背景。如表所示4,4例,意味着值,分别为0.65,0.77,0.82和0.82。这意味着重建数据更大比真实的数据,所以建模方法低估了MIMO信道空间相关性的影响。当我们考虑标准差,更高的值会导致一个重大变化的空间相关性。比较与圆形的重建的数据有一个较大的标准差比现场测量数据。

天线间的耦合,因为在现实环境中,实际的天线阵的相关性将会增加。然而,IMT-Advanced通道模型不考虑这种不理想的问题。这种天线建模方法将使平行的空间衰落通道比真正的独立测量。上面所示的结果,使用的数据通道重建将低估空间相关性MIMO系统和施加影响了空间域。为了获得预期的多路复用程度的MIMO系统,空间资源(如天线间距和极化天线)必须利用多用于信道建模。

3.3。信道容量

信道容量是MIMO信道的重要指标之一。在缺乏发射机的信道状态信息,它是所有天线最优平等分配权力。频率选择衰落MIMO信道的信道容量是由(16] 在哪里表示信噪比和是带宽。对于离散通道,可以给出的一个近似 在哪里频率垃圾箱的数量吗th时间实现和是一种常见的所有通道实现标准化因素等,平均信道功率增益是统一的吗 在哪里弗罗贝尼乌斯范数表示。不同Tx-Rx之间的圆形天线阵对用于信道传输矩阵形式。改造后的频域传递矩阵,我们可以计算能力使用(14)。图6显示能力累积密度函数(CDF)曲线为所有类型的通道实现。

作为显示在图6,对新闻领域,相同的中断容量重建的背景,给出了相似的结果。但是比较领域背景重建的背景,应该注意的是停机的运作能力有一个小的斜率比。这是现场测量数据的原因有5%通道中断容量比重建通道数据。如图7,5%的通道故障能力的价值,,,分别是16.86,14.62,17.1和12.38。原因是不正确的估计的标准偏差特征值扩散。因为特征值的标准偏差从重建cir分散从野外比圆形的吗,重建数据有较大的斜坡和更高的中断容量的5%。

另一方面,块衰落信道条件下,各态历经容量用于描述空间通道容量。图8显示MIMO信道的各态历经容量以现货4 4例。很明显,在每一个信噪比的情况下有一个类似的各态历经容量。因为这两个和有一个大是足够小的空间相关性,使其具有较高的各态历经容量。

4所示。结论

摘要IMT-Advanced通道的天线模式建模模型验证了一些广泛的测量活动在中心频率为2.35 GHz 50 MHz有效带宽在室内环境。DPA、PIFA和ODA用于收集空间背景,通过更新执行和通道重建IMT-Advanced信道模型的特征参数与天线阵列矩阵操作模式双方的通信链路。相干带宽、特征值色散和信道容量之间的比较测量原始数据和重建的背景。发现重建数据可以适合野外测量数据延迟域。cir DPA,与此同时,不同领域背景与PIFA相干带宽小于重建的背景。一个较大的标准差特征值的分散使重建的背景有一个广泛的空间相关性比测量的原始数据。所以IMT-Advanced通道模型将影响信道空间相关性估计。信道容量预测,广泛的空间相关性导致低估5%通道中断容量,但四例都有一个一致的各态历经容量在每个信噪比。因此得出结论,基于IMT-Advanced信道模型的建模方法有更大的影响比频率特性的空间特征。由于天线上的不理想的问题,结合天线阵的通道模型应该进一步考虑未来通道测量和建模。

确认

这项研究支持在中国国家自然科学基金的一部分,没有。61171105,国家关键技术研究与开发项目的科学技术部中国没有。2012 baf14b01,新世纪优秀人才计划在中国教育部大学ncet - 11 - 0598,以及由中国科学院电信技术。

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