5G无线信道模型建模理论研究

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随着第五代(the fifth generation,5G)移动通信在世界范围内的不断发展,5G用户渗透率不断提升,与5G相关的创新型业务也将大幅增长。无线信道作为通信系统中的传输媒介对通信性能有重大的影响。5G和未来通信的发展离不开与相应无线通信环境相吻合的信道模型的研究。由于目前信道模型的仿真并不全面,并且很少有学者对当前的主流的信道模型做出全面客观的对比分析。因此本文结合当前主流的5G信道模型各自情况及特点,选取了其中三个主流的信道模型分别是Qua DRi Ga,NYUSIM以及MG5G信道模型,以5G的主要应用场景及关键技术为出发点,对这三个模型的建模策略以及特点进行了详尽的仿真与分析,提出了一些建模适用性结论作为参考,研究成果对5G和未来移动通信的信道建模理论研究提供了重要参考基础。首先,本文立足于当前5G移动通信的主要应用场景以及高频段信道的传播特性,介绍了信道模型建模的意义以及无线信道模型的研究现状。从空、时、频维度介绍了5G高频段信道建模的主要需求,简述了当前无线信道的建模方法。然后对三个信道模型的发展和建模流程做了介绍,并总结了三个模型的建模特性。其次本文从空,时,极化等维度对三种模型的小尺度参数(Small-scale Parameter,SSP)建模策略进行了比较,重点描述了三个模型在角度、功率、时延等参数上的建模方法及演进过程,并对三个模型的小尺度参数和簇及子径的定义做了详细的总结。最后本文以三个模型的建模策略为基础,在城市宏小区(Urban Macro,UMa)和乡村宏小区(Rural Macro,RMa)场景下进行了一系列仿真实验。通过角度功率谱(Angular Power Spectrum,APS),多普勒功率谱密度(Doppler Power Spectrum Density,DPSD),功率时延谱(Power Delay Profile,PDP),空、时、频相关函数,信道容量和特征值等仿真,在空域,时域,频域等方面对这三个模型进行了对比分析。仿真结果表明,小尺度参数的建模方法以及簇在空时维度的演进过程对信道有重大影响。本文结合仿真结果,对三种模型的应用场景给出了建议。Qua DRi Ga模型可以准确地描述UMa场景中的大多数无线传播效应,会更适合多变的UMa场景。MG5G模型通过簇的快速生灭对信道的非平稳特性进行建模,因此信道的变化速度会更快,它更适合于快速变化的信道场景的仿真。NYUSIM信道模型采用时间簇空间波瓣(Time Cluster Space Lobe,TCSL)建模方法导致信道的角度扩展小,信道稀疏。因此认为,NYUSIM信道模型可能更适合于RMa场景的研究。除此之外,还结合上述工作对信道模型的建模策略提出了几点建议。本文仅是对比了当前三个5G主流信道模型,还有一些其他的模型更进一步的研究工作有待去完成,因此接下来,有计划研究更多主流的5G信道模型以进行更全面的比较,为信道建模的工作提供更多可参考的基础。除此之外,6G无线通信的研究已经受到越来越多的关注,以上三个模型应该更好地适应与6G应用场景相关的新传播特性。6G还采用了一些新的技术,例如全息无线电,智能反射面和人工智能通信,关于这些新技术的建模将会被进一步考虑添加在信道模行中。
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