基于時頻隨機散射理論的高鐵寬帶無線信道建模研究

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，未來的高速鐵路無線通信系統(tǒng)要求同時支持列車控制、面向運行安全的在途檢測數(shù)據(jù)傳輸以及旅客信息服務。無線信道是無線通信系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，準確認知無線信道的傳播特性是設(shè)計無線通信系統(tǒng)的前提條件。無線信道的傳播特性一般通過信道測量手段直接獲取，并利用信道模型加以描述，進而為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)評估、系統(tǒng)和鏈路級仿真、原型機搭建以及網(wǎng)絡部署提供理論基礎(chǔ)。本課題主要工作如下： 1）基于標準信道探測儀獲取的測量數(shù)據(jù)，研究了高速鐵路高架橋和U型槽場景信道大尺度和小尺度衰落特性。統(tǒng)計了路徑損耗和陰影衰落參數(shù)，建立了高速鐵路典型場景的大尺度傳播模型。從窄帶、寬帶、時延角度分析了萊斯K因子參數(shù)，抽象了窄帶和寬帶K因子統(tǒng)計模型。根據(jù)提取的多徑時延和多普勒相關(guān)參數(shù)，探討了高架橋和U型槽場景的時間色散和頻率色散特征。 2）基于幾何隨機散射理論提出了高架橋場景的參考模型，推導了相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜的理論表達式，構(gòu)建了半經(jīng)驗的MIMO信道模型，評估了高架橋場景的MIMO性能?；陔S機傳播圖理論提出了U型槽場景的傳播圖模型，生成了虛擬的信道沖激響應數(shù)據(jù)，并完成實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比驗證后將傳播圖模型擴展至MIMO情況，評估了U型槽場景的MIMO性能。 3）提出了基于LTE的高速鐵路信道測量方法，詳細介紹了利用LTE信號中的CRS實現(xiàn)頻域信道探測的原理，分析了信道沖激響應的測量性能，提出了一種算法來補償定時偏差對測量性能的影響。 4）通過硬件模塊搭建了LTE信道探測儀的硬件平臺，并設(shè)計了相應配套軟件實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的讀取、存儲、處理顯示和位置標記四大功能?；谛滦偷男诺罍y量系統(tǒng)，開展了高速鐵路平原高架橋場景下的信道測量活動，分析了帶狀覆蓋、小區(qū)合并、移動中繼、MIMO和CoMP的測量結(jié)果。

由于高速鐵路無線信道存在著測量效率低、測量數(shù)據(jù)少、測試條件難以保障等難點，至今世界范圍內(nèi)尚沒有公認的可信、可用的高鐵寬帶無線信道模型。信道模型的缺位已經(jīng)成為阻礙面向高鐵的新一代寬帶移動通信系統(tǒng)研究的瓶頸。本課題采用時頻域信道建模方法- - 幾何隨機散射理論和傳播圖理論，針對高鐵平原和U型槽兩種典型場景，研究無線信道延時域、頻率域、角度域的衰落特征，推導時頻空相關(guān)函數(shù)閉式解，探討電波在高鐵典型場景中的傳播規(guī)律。同時，利用本團隊已有的高鐵典型場景下的單天線信道測量數(shù)據(jù)及本課題準備實施的多天線測量數(shù)據(jù)，采用組合優(yōu)化方案，對理論信道模型進行校準和驗證。本課題的開展，突破傳統(tǒng)的基于測量的信道建模技術(shù)，將理論建模方法和實際測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建更為準確的高鐵無線信道數(shù)學模型，將更好的為高鐵場景下通信系統(tǒng)鏈路級仿真和樣機試驗提供理論基礎(chǔ)和試驗保證。

分層材質(zhì)建模與繪制是目前計算機圖形領(lǐng)域研究的熱點和難點。由于分層材質(zhì)能夠更精確地描述現(xiàn)實世界中的材質(zhì)，其在圖形繪制中的應用可以顯著提高繪制結(jié)果的物理真實感。本項目將從微面元理論的角度研究分層材質(zhì)的建模與繪制技術(shù)，詳細探討基于微面元理論的材質(zhì)模型中法向分布、Fresnel反射和微面元間陰影遮擋等在擴展到處理分層材質(zhì)時的計算方式，著重討論多次內(nèi)反射、層內(nèi)介質(zhì)散射和吸收對次表面反射效果的影響，并基于adding-doubling方法推廣到處理多層分層材質(zhì)。最后，通過在離線繪制引擎和實時繪制場景中的應用來驗證本項目提出的分層材質(zhì)模型的有效性和高效性。相比于傳統(tǒng)的分層材質(zhì)模型，基于微面元理論的分層材質(zhì)模型具有高效性、統(tǒng)一性、輕量級以及可擴展性等優(yōu)勢。本項目是材質(zhì)建模與繪制方面的基礎(chǔ)性研究工作，具有重要的學術(shù)意義和應用價值。

針對移動信道和無線傳感網(wǎng)WSN信道及其相關(guān)問題進行了深入研究。主要完成了“統(tǒng)計衰落信道中MIMO陣元方向性以及DUCA雙環(huán)MIMO系統(tǒng)”、“基于車聯(lián)網(wǎng)標準街道場景信道模型”、“城市密集彎道無線信道模型”、“基于多傳感器WSN數(shù)據(jù)融合的決策模型”、“和“WSN信道的模糊染色定位算法與數(shù)據(jù)融合”等無線信道建模理論工作。在考慮衰落相關(guān)性SFC的同時引入天線單元方向性, 研究和開發(fā)了基于統(tǒng)計信道模型的終端MIMO多天線模型及性能評估方法, 提出了綜合快速計算新方法, 建立了相關(guān)信道近似模型。闡明了多頻段和室內(nèi)外通信信道的諸多關(guān)鍵因素。另外針對室外WSN視距LOS/非視距NLOS傳輸環(huán)境下的車到車V2V系統(tǒng), 提出了一種隨機的參考信道模型。導出了發(fā)射角AOD以及到達角AOA的概率函數(shù)PDF解析式, 研究了多普勒功率譜密PSD及其時間自相關(guān)函數(shù)ACF, 闡明了模型多普勒參數(shù)以及街道散射體等因素對V2V通信系統(tǒng)性能的影響, 拓展了V2V無線信道建模方法并提供了有力的分析工具。另外在經(jīng)典EBSBM基礎(chǔ)上引入等效散射點概念, 提出了改進型的多跳散射信道模型。為克服現(xiàn)有信道模型的局限性, 更靈活地描述城市密集彎道V2V傳輸特性, 構(gòu)建了新型寬帶多入多出系統(tǒng)MIMO衰落信道模型。基于研究成果, 形成了較為完整的移動通信和傳感網(wǎng)WSN信道建模理論和方法, 并研究分析WSN路由數(shù)據(jù)融合以及節(jié)點定位算法，為進一步研究特殊場景信道打下良好理論基礎(chǔ)。針對氣象行業(yè)需求，開發(fā)了傳感網(wǎng)WSN節(jié)點設(shè)備和搭建了觀測實驗平臺。項目組按計劃進度要求，圓滿完成了任務書規(guī)定的研究任務，發(fā)表高質(zhì)量論文數(shù)和發(fā)明專利數(shù)均超出驗收指標。在本項目的資助下已在知名期刊發(fā)表論文36篇。其中國際期刊China Communications、Wireless Persons Communications以及物理學報等刊物 SCI9篇和EI14篇，在本領(lǐng)域重要的國際會議VTC發(fā)表多篇論文，獲得國家發(fā)明專利5 項；培養(yǎng)了博士生2名，碩士研究生15名。碩士論文《壓縮感知理論及其在MIMO信道和天線陣列估計中的性能研究》和《基于空間統(tǒng)計信道建模及其MIMO性能研究分析》分別獲得了2015和2016年度省優(yōu)秀碩士論文。 2100433B

分層材質(zhì)建模與繪制是目前計算機圖形領(lǐng)域研究的熱點和難點。由于分層材質(zhì)能夠更精確地描述現(xiàn)實世界中的材質(zhì)，其在圖形繪制中的應用可以顯著提高繪制結(jié)果的物理真實感。本項目從微面元理論的角度研究分層材質(zhì)的建模與繪制技術(shù)，詳細探討了基于微面元理論的材質(zhì)模型中法向分布、Fresnel反射和微面元間陰影遮擋等在擴展到處理分層材質(zhì)時的計算方式，著重討論多次內(nèi)反射、層內(nèi)介質(zhì)散射和吸收對次表面反射效果的影響。在此基礎(chǔ)上，我們提出了擴展法向分布函數(shù)（ENDF）的概念，并采用擴展法向分布函數(shù)高效處理次表面反射。針對逆反射材質(zhì)和特效涂料材質(zhì)，我們基于擴展微面元理論提出了相應的高真實感繪制算法。最后，通過在離線繪制引擎和實時繪制場景中的應用驗證了本項目提出的復雜材質(zhì)建模與繪制方法的有效性和高效性。相比于傳統(tǒng)的模型，基于微面元理論的材質(zhì)模型具有高效性、統(tǒng)一性、輕量級以及可擴展性等優(yōu)勢。本項目是材質(zhì)建模與繪制方面的基礎(chǔ)性研究工作，具有重要的學術(shù)意義和應用價值。