5G移动通信技术中毫米波降雨衰落特性研究

摘要

毫米波因具有丰富的频谱资源而成为了5G频谱战略的重要组成部分，因此将毫米波通信技术应用到5G移动通信网络中是国内外研究的热点。本文针对5G移动通信技术应用场景越来越复杂的发展方向，采取理论和实验相结合的方法，研究了地形地物多径传播环境对降雨引起的衰减效应和信号起伏效应的影响，以及现存的模型是否又能恰当地评估这些传输效应。本文的主要研究内容如下： 讨论了信道衰落系数与传输散射效应的关系，从而引出了本文的研究问题：衰减效应和信号起伏效应；并仿真和讨论了降雨环境的粒子尺寸分布特征和介电特性，为后续理论研究和实验数据分析奠定了基础。 研究了视线环境下毫米波降雨衰减和信号起伏效应，为分析多径环境对雨衰和雨致信号起伏效应的影响提供了“比较标准”。基于粒子散射吸收理论，简述了雨衰机理，并通过仿真分析了现有雨衰工程模型的局限性，进而提出了一种修正特征衰减模型参数的方法，基于ITU-R给出的35GHz模型参数对该修正方法进行了验证；根据随机介质波传播理论，研究了雨粒子散射引起的信号起伏效应。 基于自主搭建的Ka波段信道衰落特性和降雨物理特征测量系统，分别在视线环境和多径环境下，开展了关于雨衰和雨致信号起伏特性的测量实验。根据仪器的测量原理，优化了实测雨滴谱的提取方法，并提出了基于实测雨滴谱修正weibull模型参数的方法，建立了适用于西安地区精确的雨滴尺寸分布模型，进而结合等效介电常数理论修正了指数雨衰模型参数，比较了视线环境下修正模型的雨衰计算结果与实验测量结果，以验证所提出的模型参数修正方法的正确性和可行性。然而，将多径环境下降雨特征代入修正模型中，其计算和实验结果表明地形地物多径环境会“放大”雨衰和信号起伏深度。 基于电波传播理论和等效均匀介质理论，建立了复合环境下的电波传播模型；在该模型基础上，推导出了地形地物多径传播环境影响下的降雨衰减模型和信号起伏统计特性模型；仿真和讨论了在典型地形地物多径环境下，典型降雨时间序列下的衰减和信号起伏效应，揭示了多径环境“放大”大气传输效应的机理，并与实验结果进行了比较，验证了该模型的有效性。 本文研究方法对降雪、沙尘暴等恶劣天气环境和地形地物多径传播环境综合作用下毫米波传播特性的研究具有重要的指导意义，同时其研究成果对5G应用场景下毫米波信道建模，以及提高5G毫米波移动通信系统性能具有重要的应用价值。

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