文摘
tripolarized MIMO系统可以提供一个更多的自由度和有更多的压实大小双极化MIMO系统,对大容量无线通信系统的吸引力。在本文中,我们分析和模型通道属性tripolarized MIMO系统基于实验通道测量在典型的室内和室外场景。首先,渠道在实验室测量运动和城市微观(UMi)场景增速低于GHz频段。路径损耗,然后,基于测量数据延迟扩展(DS)和正交偏振歧视(XPD) 9极化组合统计的方式进行了分析和建模。这些通道属性的统计结果。可以看出大规模的衰落和小规模衰落的信道特性强烈依赖于极化方向。此外,我们评估tripolarized MIMO系统的性能通过分析Demmel条件数和信道容量增益(CG)。对于室内和室外场景,发现托管tripolarized天线可以带来一个CG关于unipolarized近三倍。这些结果可以给好的见解tripolarized MIMO系统的设计和评价。
1。介绍
2020年2月,国际电信联盟(ITU)开始研究对2030年和未来的第六代(6克)。这表明6克研究进化的电联标准化的计划。直到现在,人们提出了很多意见6克愿景和实现技术1- - - - - -3]。例如,新兴应用程序和新业务,如全息类型通信、multisense网络,工程应用,关键基础设施(4]。6克也将扩大在各个方面,例如,数据速率,延迟,频谱效率和覆盖率,第五代的基础上(5克)5,6]。6克的蓝图变成现实,更多的通信资源(如在空间、频率和时间域),新的传播技术,和新的网络结构可能被利用7]。
多输入多输出(MIMO)技术已广泛应用于移动通信、可以增加数据速率,提高无线传输的质量通过利用空间多样性(8,9]。没有极化,interantenna间距必须大到足以降低interantenna相关MIMO系统。然而,环境因素和塔负荷限制天线阵列的大小和它们的天线元素的数量10]。因此,双极化天线被广泛部署时可以减少空间需求和塔负荷(11,12]。此外,结果表明,使用tripolarized天线可以获得一个额外的三个因素在信道容量,相对传统的限制使用双极化无线电信号(13]。自tripolarized天线可以提供一个自由度,节省空间,tripolarized天线系统可以高效的技术提高数据速率和频谱效率(14,15]。尤其是tripolarized天线可能用于大规模的MIMO系统,将大量的天线元素和占用大量的空间。
通道中,无线电波传播,发射器(TX)和接收器之间(RX)。,通道属性确定无线通信系统的性能极限(16]。在tripolarized MIMO信道,极化波可能会经历由于散射偏振旋转(17]。相应地,通道相关性下降和信道容量增益的时间也减少了。此外,渠道属性,例如,大规模的衰落特性和小规模衰落特性,在不同的极化方向,可能是不同的。因此,有一个深刻的理解tripolarized MIMO信道特性在现实世界中是一个先决条件tripolarized MIMO系统的设计和评价。在下面,我们将回顾tripolarized MIMO系统的信道特性的研究。
1.1。文献综述
在2001年,使用电场的三个组件的概念第一次被提出(13]。然后,理论和实验研究频道属性tripolarized MIMO系统。在[18),特征值的分析信道矩阵给出了基于tripolarized MIMO信道测量的频率范围2.17 - 2.20 GHz消声室。在[19,20.),理论信道模型和模拟被用来调查与tripolarization通道容量三个偶极子天线。此外,tripolarized MIMO信道测量控制rich-scattering环境中进行(14]。获得,有通道容量增加三倍,在仿真和实验中使用数组tripolarized偶极子天线。在[21),基于trip-polarized MIMO信道测量corridor-to-office (C2O)场景在3.6 GHz, Ricean增殖系数、交叉极化歧视(XPD)和相关系数进行了分析。在[22),tripolarized MIMO信道测量在3.6 GHz。作者分析了XPD,给其统计结果。此外,所有子信道之间的相关系数测定和观察到很低。在[15,23相比),作者信道特性,包括XPD Ricean增殖系数、相关系数、和信道容量增益(CG)、nonlossy混响室,有损室,和一个走廊,一个办公室的房间。发现偏振耦合和过渡的影响强烈依赖的散射特征的环境。
除了室内场景,一个outdoor-to-indoor场景也以3.5 GHz通过使用双极化天线在RX (TX和tripolarized天线24]。为每个子信道的路径损耗进行了分析和建模。此外,测量活动在城市微细胞(UMi)场景提出了在25]。此外,XPD、相关系数和CG进行了分析。一般来说,我们可以看到,目前tripolarized MIMO系统的信道特性的研究主要集中在XPD的分析,相关系数和CG。调查在不同极化方向是几频道属性。同时,大多数tripolarized MIMO信道测量进行了在室内场景中,测量在户外场景稀缺。
1.2。本文的贡献
在本文中,我们将给出一个相对全面的调查tripolarized MIMO系统的信道特性。通道测量在室内和室外场景进行在现实世界中使用虚拟trip-polarized MIMO信道探测器提供原始数据。基于测量数据,信道特性进行了分析和建模。同时,tripolarized MIMO通信系统性能评估。本文的主要贡献如下:(我)基于虚拟tripolarized MIMO信道测深仪,我们在实验室里进行tripolarized MIMO信道测量和UMi场景。同时,视距(LOS)和视线范围(仿真结果测量条件。这是一个补充tripolarized MIMO信道测量。(2)基于测量通道原始数据在实验室和UMi场景中,我们分析的大规模的衰落和小规模衰落通道属性tripolarized MIMO系统,包括路径损耗,DS和XPD。此外,不同极化通道属性组合比较和统计建模方法。信道模型的拟合参数。这可以提供的证据建模的偏振依赖性通道属性tripolarized MIMO系统的信道建模。(3)我们调查tripolarized MIMO系统的性能基于实验测量在现实世界中。此外,在不同环境中系统性能的差异进行了分析,从无线电波传播的角度探讨。特别是,证明可以支持3个独立子信道tripolarized MIMO系统在室内和室外场景。
1.3。论文组织
本文的其余部分组织如下。部分2介绍了测量设置和测量程序。部分3显示了分析和建模tripolarized MIMO系统的信道特性。系统性能评估的部分4通过分析Demmel条件数和信道容量增益。最后,部分5本文总结道。
2。Tripolarized MIMO信道测量
信道测量是一种流行的方法描述渠道。也是构建统计信道模型的先决条件(26]。在本文中,我们将tripolarized MIMO信道测量在实验室和UMi场景。在以下,系统设置和测量过程的细节。
2.1。系统设置
在测量中,correlation-based宽带信道探测器使用。其结构如图1。TX一侧的伪噪声序列长度为127 (PN)是第一个在基带生成。然后,PN序列使用二进制相移键控(BPSK)调制。中心频率设置为3.5 GHz和4.9 GHz在实验室和UMi场景(因为5 g网络是建立在我们的校园中,在3.5 GHz强劲信号干扰UMi场景;因此,我们在测量设置中心频率为4.9 GHz的UMi场景中,这也是一个重要的5 g带),分别。测量带宽是100 MHz。使接收信号有大量信号噪声(信噪比),PN信号通过功率放大器放大的增益43分贝。偶极子天线用于传输PN信号送入太空。在RX身边,用偶极天线接收信号。描述tripolarized MIMO信道,我们旋转三个正交偶极天线极化方向来创建虚拟 MIMO信道(22]。图2显示了托管的天线的旋转位置。位置1和位置2是两个正交水平极化,而位置3是垂直极化。此外,偶极子天线在位置1点之间的传播方向TX和RX,见图3。在每个测量,TX和RX天线固定在这三个职位之一。因此,完全有9组合。最后,一个频谱分析仪(Keysight N9030A)是用于收集原始数据通道。详细的系统设置如表所示1。
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2.2。测量程序
室内测量是在实验室进行的。如图3,实验室是一个封闭的房间里有一些桌子和金属盒。两个偶极子分别固定在三角架。此外,三脚架在TX端放在金属盒创建TX和RX之间的高度差,使测量更现实的场景。天线和RX TX天线的高度是2.28米和1.28米,分别。测量位置绘制在图4。有8个洛杉矶位置和8仿真结果的位置。相邻的测量位置之间的距离是0.5米。在测量,TX的位置是固定的而RX移动到下一个测量在测量位置 MIMO信道的数据。同时,人们仍然在实验室一直在测量确保通道是静止的。
户外测量是在校园一个UMi场景进行的北京邮电大学。图5显示了视图的TX天线和RX天线。我们可以看到,TX三脚架固定在屋顶上的一个科学大厅,旁边有更高的建筑。RX三脚架是放在地上。建筑两边的道路旁边使场景像是一个峡谷,导致rich-scattering场景。TX和RX的高度是13.4米和1.7米,分别。在测量期间,RX的移动方向平行于道路。在每一轮的测量,没有行人,我们假设通道也是静止的。偶极子天线的放置方法是一样的,在室内测量,如图3。图6显示了UMi测量位置的分布情况。有20个洛杉矶测量位置和20仿真结果测量位置。相邻位置之间的距离是1米。对实验室和UMi场景中,有超过200个样本收集每个子通道提取tripolarized MIMO信道的统计特性。
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3所示。分析和建模的通道属性
信道特性对环境高度相关。这是因为散射环境确定无线电传播机制。在下面,我们会分析和模型大规模衰落的信道特性和小规模衰落在实验室和UMi场景。极化方向的依赖性通道特性也进行了分析。
3.1。路径损耗
路径损耗是正常的自然扩张造成的广播在自由空间波阵面,吸收损失,衍射损失等等(16]。它是一个重要的属性在无线电通信系统的覆盖预测和干扰分析(27- - - - - -29日]。路径损耗模型通常可以通过(30.] 在哪里和分别是发射功率和接收功率。接收功率可以表示为距离的函数,也称为Friis定律(16]: 在哪里和是在发射端天线增益和RX,分别之间的空间距离TX和RX和是波长。自由空间是一个理想的传播环境中,没有阻碍。的自由空间路径损耗(FSPL)可以表示为31日] 在哪里无线电波的频率和吗是光速。
在现实环境中,散射分布在传播环境中,导致阻塞。这使得FSPL模型不可用。的路径损耗在现实环境中,我们使用floating-intercept (FI)模型,一个受欢迎的模型用于信道建模标准化,根据测量数据来描述路径损耗(32- - - - - -34]。FI模型可以表示为 在哪里模型的边坡,是floating-intercept,是一个零均值高斯变量的标准推导代表了阴影。从测量数据删除系统响应后,测量路径损耗之间的通道TX天线和th RX天线可以获得的 在哪里和是天线的索引位置,见图2,之间的信道脉冲响应吗TX天线和th RX天线,延迟的价值吗th延迟本,是延迟垃圾箱的数量。值得注意的是,系统校正和去噪前应该做获得信道脉冲响应(35,36]。
图7显示拟合结果的测量路径损耗使用FI模型(图看起来清晰,路径损耗测量结果不绘制)。FSPL也策划做一个比较。我们可以看到,在同一位置,测量路径损耗随着极化方向的改变而改变。一般来说,路径损耗更小的co-polarization (TX2-RX2和TX3-RX3)渠道比正交偏振通道。例如,在图7(一)的拟合线的路径损耗co-polarization (TX2-RX2和TX3-RX3)通道底部的图。这表明在交叉极化通道功率衰减强烈。值得注意的是,路径损耗的TX1-RX co-polarization频道特别大,因为无线电传播是TX-RX方向垂直。同时,FI模型的斜率取决于极化组合。这表明在不同极化方向不同的功率衰减与距离由于偏振耦合和旋转。例如,在图7(一),9极化组合的路径损耗的变化范围为47.34 ~ 57.65 dB 2米的距离。同时,TX的路径损耗和RX 1组合比其他两个co-polarization强烈的组合。这是因为的最大增益偶极子的方向是垂直于传播方向,见图3。在[24),它还表明,路径损耗模型的斜率垂直偏振子通道奉承比水平偏振子通道。此外,随着传播距离的增加,路径损耗对一些交叉极化组合增加缓慢,这样的TX 3和RX 1组合。这主要是因为散射传播越来越富裕由于TX和RX扩展空间。这导致更强的偏振旋转和高正交偏振耦合。在[24),我们也可以发现的斜率变得平坦,平躺子通道。然而,它仍然表明,路径损耗随距离。这种差异可能来自于环境的差别。在我们的测量环境中,偏振旋转更强。
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表2列出了FI模型的拟合参数在不同的测量方案。在实验室里,FI模型的所有斜率值小于2洛杉矶条件下,虽然是2的自由空间。这可以解释为,实验室是一个封闭的空间,和RX可以获得更多反映了多路径(mpc)的地板,墙壁和天花板(37]。仿真结果条件下,我们可以看到,只有斜率值小于2。此外,斜率值是5.58,表明高依赖的距离。ITU的路径损耗模型室内办公场景显示了类似的趋势。例如,斜率值是1.69在洛杉矶的条件下,虽然4.33仿真结果条件(33]。在UMi场景中,FI模型的斜率值有很大的差异对洛杉矶和仿真结果的条件。例如,洛杉矶的条件下,斜率值是2.43,1.29 ;在仿真结果条件下,斜率值从4.95变化为0.40 。这主要是因为UMi场景充满不同的散射,例如,植物,建筑,汽车,和人类一样,见图5,从而导致rich-scattering环境(38]。同时,极化校准不容易意识到由于大TX之间的高度差和RX。基本上,我们可以得出结论,路径损耗特性显示高依赖极化组合。然而,传统的ITU路径损耗模型不考虑偏振组合的影响。尽管XPD介绍了产生小规模的褪色反应,它只描述的接收功率差别co-polarization方向和交叉极化方向,没有考虑到co-polarization之间的方向。
3.2。延迟扩展
DS描述了mpc的时间分散,可以用来计算相干带宽(37,39]。此外,大型DS可能导致码间干扰。因此,它是至关重要的”来形容DS来提高系统的可靠性。在极化天线系统中,延时色散反映了散射的程度和相关偏振耦合和旋转。然而,在当前的国际电信联盟通道模型,DS和极化之间的关系不被认为是(33]。在这里,我们研究DS的统计数据对不同极化组合。均方根(RMS) DS之间的通道TX天线和th RX天线可以计算如下(40]: 在哪里 在哪里和是第二个来源评论和第一个起源的评论之间的通道的延迟扩展吗TX天线和分别th RX天线。
图8描述了RMS的累积分布函数(CDF) DS在实验室。基本上,我们可以看到,RMS DS仿真结果条件下比在洛杉矶的条件下。同时,RMS DS的UMi场景比在实验室。这是符合预期因为mpc更可能经历散射和传播更远的距离在一个更复杂和更大的环境41]。相应地,通道的延迟分散程度也在不断增加。此外,它可以调查,RMS DS不同偏振组合之间的变化。特别是,我们可以找到一个趋势图8(一个)RMS DS的渠道三个co-polarization组合小于其他交叉极化组合。这是因为无线电传播TX-RX方向是不一样的,还有更多的反射或散射路径。在ITU通道模型,RMS DS是建模为高于6 GHz频率的函数,而统计均方根DS将常数低于6 GHz (33]。然而,在现实的传播环境中,不同的极化方向传播的无线电波在不同的路线。另外,随着讨论的部分3所示。2传播损耗是依赖于极化方向。因此,根据方程(6)(8),RMS DS还依赖于极化方向。
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根据实验调查和ITU通道模型,RMS DS可以通过对数正态函数建模(33,42]。如图9,对数正态拟合线与测量RMS DS的UMi场景仿真结果条件下。在其他测量情况下,对数正态拟合也很不错。然而,由于空间有限,我们不情节都在这里,但是给的拟合参数表9极化组合,见下表3。在实验室里,中值的对数正态拟合洛条件下范围从26.37 ns36.40 ns的 。似乎有一种趋势,co-polarization组合的通道较小的DS。在仿真结果的条件下可以观察到类似的趋势。例如,对数正态拟合的平均值是42.85 ns ,虽然是55.16 ns ,增加约12.31 ns。在UMi场景中,RMS DS几乎是三倍相比,在实验室由于散射路径。此外,co-polarization渠道TX和RX 2得到最小的平均值,即。58.77 ns洛杉矶条件下和111.98 ns仿真结果条件下。这可以用图来解释10的权力,它显示了一个示例延迟概要文件(pdp)的通道和洛杉矶条件下的UMi场景。我们可以看到,尽管这两个pdp相似,《路径具有较强的权力的通道 ,虽然有少反映mpc在洛杉矶的道路。这导致较弱的延迟色散和较小的DS。根据作者的知识,就没有文学,让调查tripolarized MIMO信道延迟特性。然而,我们可以找到支持的结果43)的延迟色散变得更强更大空间或仿真结果条件下。
3.3。交叉极化的歧视
在传播中,电磁波的极化方向反射和散射后会改变。这个过程称为去极化通道和可能导致权利不平衡44]。在分析部分3所示。2在不同极化通道,路径损耗的变化。XPD用来描述这个过程,这是定义为不同偏振方向的功率比。此外,它表示功率泄漏的数量从一个极化到另一个地方。根据这个定义,XPD正交偏振组合可以写成 在哪里表明TX的渠道获得对处方 , 表明TX的渠道获得的处方 ,和是期望算子。充分描述偏振行为的渠道,还需要其他xpd co-polarization组合。他们可以表达的
图11的概率密度函数在dB XPD正交偏振组合在实验室和UMi场景。同时,XPD在dB是配备了一个正常的函数。可以看出,在实验室里,拟合参数和分别是4.23 dB和4.69 dB在洛杉矶的条件下,虽然它们3.33 dB和4.21 dB,分别仿真结果条件下。看来,权力流失是强烈的仿真结果。可以找到同样的趋势在UMi场景中,见图11 (b)。尤其是洛杉矶条件下的平均值UMi场景6.48 dB,显然大于1.68 dB仿真结果条件下。在[33],XPD洛杉矶条件下的平均价值也比仿真结果条件下典型的室内和室外的场景。这可能是因为,在封闭的空间,更多的无线电波经验反射后偏振旋转,折射或扩散。同时,由于较小的传播距离,这些无线电波有强大的权力。虽然在实验室泄漏是强烈的,值得注意的是,在实验室路径损耗相对小于UMi在相同的传播距离的场景,看到分析部分3所示。1。
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为所有偏振组合,进一步研究功率泄漏表4列出了XPD 6正交偏振的拟合参数组合和2 co-polarization组合。一个较小的平均值表示,无线电波的极化方向更容易旋转。因此,可以看出,偏振旋转强TX 1和RX 1的实验室和UMi场景。数据显示2和3,我们可以说horizontal-to-horizontal信道功率泄漏更可能发生,因为无线电传播方向可能不同于TX-RX方向。而且,在vertical-to-vertical渠道传播条件更好。类似的趋势一直在调查(15,22]。在[15),发现偏振旋转强偶极子平行于地面时,但极化时保持与地面垂直。此外,这是符合分析部分3所示。1。
4所示。Tripolarized MIMO系统的性能评估
一些努力已经调查tripolarized MIMO系统的性能(19,20.]。然而,他们中的大多数并不考虑现实环境。在本节中,我们将给出一个绩效评估tripolarized MIMO系统的信道测量在实际测量情况下,可以给一个更好的洞察tripolarized MIMO系统的应用。
4.1。Demmel条件数
Demmel条件数是一个有用的指标来描述空间复用性能在渠道45]。同样,如果Demmel条件数低于某一阈值时,最好使用空间复用而不是多样化的传播。阈值之间的差异与多样性的时空密语方案或不同时空码字(46]。Demmel条件定义在[47] 在哪里是 MIMO信道的测量通道脉冲响应矩阵由9极化组合,弗罗贝尼乌斯规范,的最小奇异值吗 。
图12显示了CDFs的在实验室和UMi场景。一般来说,的分布在这两个场景中是相似的。范围从约2.42 dB 49.76 dB左右。在[22),发现tripolarized MIMO系统的范围从8分贝大约40分贝左右。此外,我们可以看到的平均值洛杉矶条件下相对比洛杉矶条件下的实验室。因此,《情况可能更适合多元化的传播。然而,相反的现象是观察到的UMi场景。洛杉矶的情况似乎更适合多元化的传播。值得注意的是,这种差异不同情况下并不大。这一趋势在其他测量可能不同,但确切的值可以使用空间复用的指标和多样化的传播。
4.2。能力获得
信道容量反映了最大的信息量,可以传播的渠道,这是一个流行的判断无线通信系统的性能指标(48]。通道相关性表明子信道之间的相似性和限制了MIMO系统的可实现的能力49]。根据其定义,可以通过相关系数 在哪里共轭复数运算,是复杂的模值,然后呢之间的信道脉冲响应吗TX天线和RX天线。图13《条件下给出了相关系数结果的UMi场景。它可以观察到,不同极化通道之间的相关系数通常是小的。此外,相关系数从0.02到0.16不等。这表明在tripolarized MIMO系统的子信道相关性较低,相应的会导致一个大信道容量。
为了进一步评估tripolarized MIMO系统的性能,我们比较tripolarized MIMO系统的信道容量增益与single-polarized MIMO系统。信道容量被定义为(9] 在哪里收到了信噪比,信道带宽,在TX天线元素的数量方面,代表矩阵的共轭换位,归一化通道频率响应是吗 (正常化是消除大规模衰落的影响,货币政策委员会的影响丰富可以更好的说明),是在RX端天线元素的数量。在这篇文章中,和都是等于3。此外,vertical-to-vertical unipolarized子通道容量(基于上述分析,渠道的传播条件TX 3和RX 3通常比其他极化组合;因此,vertical-to-vertical unipolarized子通道能力可以更好的参考演示tripolarized MIMO系统的性能)选为参考基准和tripolarized渠道的收益计算 在哪里表明tripolarized MIMO信道的容量是引用vertical-to-vertical unipolarized通道容量。
图14在实验室和显示能力的累积概率UMi场景。tripolarized信道容量和vertical-to-vertical unipolarized子通道容量绘制在图中。我们可以看到,显然比 。例如,是16.81个基点/ Hz的累积概率 ,而是6.58个基点/ Hz洛杉矶条件下在实验室。此外,仿真结果条件下的信道容量比洛杉矶条件下由于自由度更大的仿真结果条件下。这是期望中的,可以发现相似的结果(9,50]。在下面,我们将定量分析通道容量增益。
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图15给出了CDFs的在实验室和UMi场景。一般来说,tripolarized MIMO系统的信道容量获得这两个场景非常相似。此外,尽管一些偏振的偏振旋转发生和强组合如上讨论的手稿,我们可以看到,通道容量增益还是相当大的。这是一致的分析结果(15]。表5列出了在实验室和信道容量增益值UMi场景通过给一个特殊的累积概率。我们可以看到,只有信道容量的收益小于2.08。因此,即使发生偏振旋转,tripolarized MIMO系统的信道容量可以成为unipolarized情况的2倍。同时,信道容量的收益小于2.48,信道容量的收益小于2.81,接近3。在[15),的平均值大约是2.50。这表明可以支持3个独立子信道tripolarized MIMO系统在实验室和UMi场景。
5。结论
Tripolarized MIMO天线是一种有希望的技术来提高频谱效率的无线移动通信、可传播提供更多的自由度。在本文中,我们研究了信道特性和评估tripolarized MIMO系统的性能基于通道测量在现实的环境中,例如、实验室和UMi场景。路径损耗、DS和XPD 9极化组合进行了分析和建模。而且,统计结果的拟合参数。我们发现有一个依赖这些大规模和小规模的参数对极化方向。例如,路径损耗的差异对不同极化组合可以超过10 dB UMi场景;意味着XPD可能co-polarization通道和交叉极化通道之间的负面。然而,极化信道特性的依赖不是当前标准化的通道模型的建模。此外,分析结果表明,可以支持3个独立子信道tripolarized MIMO系统在实验室和UMi场景。这些结果有助于tripolarized MIMO信道模型,并使用tripolarized MIMO天线。
数据可用性
测量数据用于支持本研究的发现是可用的部分从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家杰出青年科学基金(没有。61925102),中国国家重点研发项目(没有。2020 yfb1805002),中国国家自然科学基金(没有。62031019),BUPT-CMCC联合创新中心。