无线传感网信道建模及对MAC/路由协议影响研究结题摘要

针对移动信道和无线传感网WSN信道及其相关问题进行了深入研究。主要完成了“统计衰落信道中MIMO阵元方向性以及DUCA双环MIMO系统”、“基于车联网标准街道场景信道模型”、“城市密集弯道无线信道模型”、“基于多传感器WSN数据融合的决策模型”、“和“WSN信道的模糊染色定位算法与数据融合”等无线信道建模理论工作。在考虑衰落相关性SFC的同时引入天线单元方向性, 研究和开发了基于统计信道模型的终端MIMO多天线模型及性能评估方法, 提出了综合快速计算新方法, 建立了相关信道近似模型。阐明了多频段和室内外通信信道的诸多关键因素。另外针对室外WSN视距LOS/非视距NLOS传输环境下的车到车V2V系统, 提出了一种随机的参考信道模型。导出了发射角AOD以及到达角AOA的概率函数PDF解析式, 研究了多普勒功率谱密PSD及其时间自相关函数ACF, 阐明了模型多普勒参数以及街道散射体等因素对V2V通信系统性能的影响, 拓展了V2V无线信道建模方法并提供了有力的分析工具。另外在经典EBSBM基础上引入等效散射点概念, 提出了改进型的多跳散射信道模型。为克服现有信道模型的局限性, 更灵活地描述城市密集弯道V2V传输特性, 构建了新型宽带多入多出系统MIMO衰落信道模型。基于研究成果, 形成了较为完整的移动通信和传感网WSN信道建模理论和方法, 并研究分析WSN路由数据融合以及节点定位算法，为进一步研究特殊场景信道打下良好理论基础。针对气象行业需求，开发了传感网WSN节点设备和搭建了观测实验平台。项目组按计划进度要求，圆满完成了任务书规定的研究任务，发表高质量论文数和发明专利数均超出验收指标。在本项目的资助下已在知名期刊发表论文36篇。其中国际期刊China Communications、Wireless Persons Communications以及物理学报等刊物 SCI9篇和EI14篇，在本领域重要的国际会议VTC发表多篇论文，获得国家发明专利5 项；培养了博士生2名，硕士研究生15名。硕士论文《压缩感知理论及其在MIMO信道和天线阵列估计中的性能研究》和《基于空间统计信道建模及其MIMO性能研究分析》分别获得了2015和2016年度省优秀硕士论文。 2100433B

基于无线传感网(WSN或Adhoc/Mesh)的发展趋势和建设空天地(air/ground)新型综合信息网络的需求，本项目旨在研究三维空间域Adhoc/Mesh信道理论模型，揭示多频段和室内外无线信道的诸多关键因素，建立准确的符合实际的,而且具有非对称/不规则性的信道理论模型；针对传感网节点小型化与能量受限特点，结合互耦效应等效理论和电磁传感阵列理论，建立基于矢量传感器的传感网MIMO多天线收发理论模型；建立传感网信道模型的测定和分析仿真平台，实现对信道模型对传感网上层MAC协议和路由协议的影响研究，分析Adhoc/Mesh网络协议设计的信道影响关键因素；针对气象行业参与感知数据采集与融合信息网络的需求，建设气象观测预警传感网(Skymesh)应用实验系统。本研究将形成完整的无线传感网信道理论与MAC/路由协议性能分析和仿真新技术，在基础理论与关键应用技术方面取得具有原创性的研究成果。

由于高速铁路无线信道存在着测量效率低、测量数据少、测试条件难以保障等难点，至今世界范围内尚没有公认的可信、可用的高铁宽带无线信道模型。信道模型的缺位已经成为阻碍面向高铁的新一代宽带移动通信系统研究的瓶颈。本课题采用时频域信道建模方法- - 几何随机散射理论和传播图理论，针对高铁平原和U型槽两种典型场景，研究无线信道延时域、频率域、角度域的衰落特征，推导时频空相关函数闭式解，探讨电波在高铁典型场景中的传播规律。同时，利用本团队已有的高铁典型场景下的单天线信道测量数据及本课题准备实施的多天线测量数据，采用组合优化方案，对理论信道模型进行校准和验证。本课题的开展，突破传统的基于测量的信道建模技术，将理论建模方法和实际测量数据相结合，构建更为准确的高铁无线信道数学模型，将更好的为高铁场景下通信系统链路级仿真和样机试验提供理论基础和试验保证。

随着高速铁路的快速发展，未来的高速铁路无线通信系统要求同时支持列车控制、面向运行安全的在途检测数据传输以及旅客信息服务。无线信道是无线通信系统设计的基础，准确认知无线信道的传播特性是设计无线通信系统的前提条件。无线信道的传播特性一般通过信道测量手段直接获取，并利用信道模型加以描述，进而为无线通信系统的关键技术评估、系统和链路级仿真、原型机搭建以及网络部署提供理论基础。本课题主要工作如下： 1）基于标准信道探测仪获取的测量数据，研究了高速铁路高架桥和U型槽场景信道大尺度和小尺度衰落特性。统计了路径损耗和阴影衰落参数，建立了高速铁路典型场景的大尺度传播模型。从窄带、宽带、时延角度分析了莱斯K因子参数，抽象了窄带和宽带K因子统计模型。根据提取的多径时延和多普勒相关参数，探讨了高架桥和U型槽场景的时间色散和频率色散特征。 2）基于几何随机散射理论提出了高架桥场景的参考模型，推导了相关函数和多普勒功率谱的理论表达式，构建了半经验的MIMO信道模型，评估了高架桥场景的MIMO性能。基于随机传播图理论提出了U型槽场景的传播图模型，生成了虚拟的信道冲激响应数据，并完成实测数据与仿真数据的对比验证后将传播图模型扩展至MIMO情况，评估了U型槽场景的MIMO性能。 3）提出了基于LTE的高速铁路信道测量方法，详细介绍了利用LTE信号中的CRS实现频域信道探测的原理，分析了信道冲激响应的测量性能，提出了一种算法来补偿定时偏差对测量性能的影响。 4）通过硬件模块搭建了LTE信道探测仪的硬件平台，并设计了相应配套软件实现测量数据的读取、存储、处理显示和位置标记四大功能。基于新型的信道测量系统，开展了高速铁路平原高架桥场景下的信道测量活动，分析了带状覆盖、小区合并、移动中继、MIMO和CoMP的测量结果。