第五代移动通信系统传播信道测量、特征提取与建模方法研究

Recently the research on channel characterization for the fifth generation (5G) wireless communications has been paid more and more attentions. In this project, main problems confronted in the 5G channel measurement, parameter estimation, modelling and simulation are investigated. First, a new measurement method is proposed which makes use of voltage-controlled steerable beam antenna and a sliding correlation technique to obtain temporal, spatial and frequency domain observations of a channel within its coherence time. Second, a novel high-resolution parameter estimation algorithm - Parametric Estimation for Clusters of Scatterers (PECS) is derived and applied to substituting the conventional methods such as SAGE and RiMAX. Then, based on the PECS'estimates of scatterers' locations and relevant parameters, we establish a novel statistical model based on the concept of clusters of scatterers. Finally, a new channel simulation method is introduced which utilizes the propagation graph theory to generate random channel realizations based on the established statistical models. An experimental channel sounding system is constructed during the project and used to validate the theory and algorithms proposed. With all these results, a complete set of theories and solutions are provided for the 5G propagation channel measurement, parameter estimation, model extraction and implementation.

现阶段第五代（5G）移动通信毫米波传播信道特征分析，受到越来越多的关注。本项目针对毫米波宽带信道特点，从实际测量、参数估计、模型提取和仿真应用等方面，寻求整体可行的5G信道研究理论和方法。首次提出的电控可调波束天线与滑动相关相结合的测量方法，能够实现相干时长内完成信道的时-空-频联合采样。为了取代低效的传统多径参数估计算法-SAGE，推出了新的高精度参数提取算法-散射体簇参数估计PECS（Parametric Estimation for Clusters of Scatterers）算法。此外基于PECS提供的散射体位置和其他参数估计值，建立了基于空间散射体簇的新型统计信道建模理论。最后提出传播图和5G信道统计模型相结合的信道实现理论。项目还利用自行搭建的毫米波信道测量系统通过实测数据分析对上述方法进行验证，最终为5G传播信道研究提供切实可行的测量手段、数据分析方法和理论支撑。

第五代移动通信系统（5G）无线信道特征研究近年来得到了广泛的关注。在四年的项目执行期内，课题组针对Sub-6GHz、毫米波段下5G室内外典型应用场景，从传播信道的测量技术研究和数据采集平台搭建、高精度信道参数提取算法设计推导、3D统计信道模型架构分析和建立流程、以及利用环境描述进行准确的信道仿真这四个方面进行了深入的研究，取得了多项成果。课题组研究了适用于5G信道采集的多种信道测量技术，如利用数字和模拟混合的波束赋形快速扫描实现信道测量，利用旋转天线形成虚拟阵列进行空间方向域信道观测等；提出了多个数据分析算法，如滑动相关参数提取法、旋转虚拟阵列参数估计法、球面波参数估计算法等；创新了基于通过检测散射体位置而进行随机模型构建的新理论；较早在业内拓展了利用随机传播图论结合传统射线追踪进行信道特征准确重现的仿真方法等。研究成果发表在44篇论文中，其中包括10篇IEEE Transactions文章以及15篇其他SCI期刊论文。除理论研究外，课题组还通过硬件搭建和后处理软件实现，建立了多个高频信道测量和分析平台，其中包括利用矢量网络分析仪搭建的15GHz、39GHz、60GHz宽频信道测量平台，利用扩频信号收发的73GHz信道测量平台，以及基于通用软件无线电外设（USRP）建立的多通道多频段同步测量平台等，提交相关专利申请4项，获得软件著作权4项。利用信道测量平台，课题组对Sub-6GHz、毫米波多个频段开展了大量的信道测量和统计建模工作，得到了一系列适用于多种5G场景的信道模型，包括空对地场景、高速移动场景，地铁以及车车场景等，共提交国内信道标准提案7篇，国外提案1篇，且有1项联合提案被接纳为3GPP信道标准。此外本课题提出了能够有效模拟反射、散射、衍射以及电波在障碍物间无穷次回响的传播图仿真方法，克服了传统射线追踪无法刻画高阶传播路径的缺陷，成为具有较强实用性、满足实时预测信道需求、替代传统射线追踪的新的仿真技术。