使用大规模MIMO的V2I空间复用上行链路的信道测量和数据包级建模

大规模多输入多输出（MIMO）技术是第五代（5G）网络中的关键技术之一。通过在二维阵列中部署大量天线元素，演进型基站（eNB）能够在垂直领域形成多个波束，并自适应地跟踪移动车辆，从而显著提高车辆与基础设施（V2I）接入的吞吐量和空间复用效率。然而，无线信道的多径空间传播导致到达功率剖面的角扩散，这会在大规模MIMO波束形成中造成扇区间干扰，并成为系统容量的限制因素。本文研究了V2I移动接入中垂直领域空间复用的信道传播特性及其车辆间干扰，并开发了一个数据包级信道模型，该模型可用于系统设计和网络协议仿真。 本文首先利用3D MIMO信道探测器进行城市宏小区街道上行链路信道的测量活动，并测量了基站侧的垂直功率谱（EPS）。然后，根据天线阵列图案和信道EPS评估了垂直波束形成的扇区间干扰。最终，提出了一个以有限状态马尔可夫链（FSMC）形式的数据包级信道模型，用于V2I垂直复用上行链路。该模型描述了当车辆向基站移动时接收信号与干扰比（SIR）的变化。FSMC的稳态分布通过分析导出并通过仿真验证。 基于SIR的随机过程，提出了“大/小尺度复用衰落”的概念。本文的工作揭示了V2I街道信道的空间功率到达剖面，对于MIMO系统设计至关重要。所提出的包级信道模型为V2I垂直复用上行链路的分析和仿真提供了一个使能工具。 MIMO系统设计中，空间功率到达剖面的测量结果对于优化天线阵列布局和波束赋形算法具有重要意义。尤其是在移动通信环境中，了解信号在不同空间维度的传播特性对于提升通信链路的质量和系统的整体性能至关重要。本文通过实测验证了大规模MIMO系统在V2I通信场景下对信号复用能力的增强，以及干扰管理的复杂性。 另外，本文中所提出的FSMC模型是对信道动态变化的抽象化描述，这种模型通过状态转换来反映信道质量变化，这对于进行网络设计时考虑通信链路的可靠性与服务质量（QoS）具有实际应用价值。FSMC模型通过有限状态空间的定义，简化了信道的复杂性，并提供了进行快速仿真分析的可能性，对于研究大规模MIMO在5G网络中的实际表现具有重要意义。 在现代通信系统设计中，准确的信道建模对于评估和优化网络性能是不可或缺的。信道模型的准确性直接影响到波束赋形算法、信号检测、编码和调制方案的效率。因此，从信道测量获取的数据对于提升整个通信系统的性能至关重要，尤其是对于支持高速数据传输、低延迟和高可靠性的5G网络。而本文提供了一种有效的信道建模方法，为未来相关领域的研究和实际部署提供了理论基础和技术支持。