移动通信中的无线信道“指纹”特征建模4

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1、参赛密码（由组委会填写）第十二届“中关村青联杯”全国研究生数学建模竞赛学校北京跟踪与通信技术研究所参赛队号901100101.赵鹏队员姓名2.袁亚博3.时中-1-参赛密码（由组委会填写）第十二届“中关村青联杯”全国研究生数学建模竞赛题目移动通信中的无线信道“指纹”特征建模摘要：近年来，移动通信一直以惊人的速度迅猛发展，对人类生活及社会发展产生了巨大的影响。无线信道与周围的环境密切相关，不同环境下的无线信道具有一些差异化的特征。如何发现并提取这些特征并将其应用于优化无线网络，是当前的一个研究热点。为区分不同的无线信道，本文从无线信道小尺度衰落

2、特性出发，研究了无线信道的时间色散和频率色散特性，提取了时间色散参数和频率色散参数，作为无线信道的指纹特征，分别表征信道的时域和频域特征。根据提取的“指纹”特征，本文对不同场景、不同区域进行识别与聚类，仿真结果表明本文提出的“指纹”特征与识别聚类算法性能较优，可以对不同场景的无线信道进行快速区分，对不同区域无线信道进行精确聚类与识别。-2-问题1：无线信道“指纹”特征提取与评价指标建立该部分首先分析了噪声和滤波器对测量信号的影响，在此基础上，研究了无线信道的包络统计特性、自相关函数、多径强度分布函数、频率间隔相关函数、多普勒功率谱、时间间隔

3、相关函数等特性，提取了无线信道的时间色散参数和频率色散参数，并根据滤波器特性定义了新的参数：截断波动和最小频率强度，研究了这些参数在不同场景的区别，从而提炼出所需的“指纹”特征，构建“指纹”特征模型，进一步提出了加权平方评价指标。问题2：基于无线信道“指纹”模型与评价指标的场景识别算法研究该部分研究了两组测量数据的“指纹”特征，根据评价指标计算公式得到如下计算结果：场景1场景2场景3测量结果1392.616246.6286649.766测量结果23344.3642.20207118.56665从而得出结论：测量结果1属于场景1，测量结果2属

4、于场景2。问题3：基于无线信道“指纹”特征的区域聚类算法研究该部分研究了无线信道的频率衰落特征、多普勒功率谱特征，基于给出的无线信道指纹特征模型，对问题一中的三种情况加以评述，并将问题2中的两种情况予以判断，进一步在第三文中，采用K-means聚类方法，在不同指纹参数的维度对采集样本进行聚类分析，针对不同指纹特征，分别设计了分类器结构。该聚类方法提取出7类聚类中心，将150m真实信道分为13段，并具体分析了各段的特征和物理含义。-3-问题4：基于无线信道“指纹”特征的区域高精度定位算法研究该部分针对无线信道“指纹”特征，对问题3的区域分别进

5、行了粗划分与精划分，进一步细化了了“指纹”特征，最终对问题4的测量数据实现了高精度定位：测量结果1位于121.67m，误差为0.83m；测量结果2位于75m，误差为0.83m。关键词:无线信道；指纹提取；K均值聚类。-4-移动通信中的无线信道“指纹”特征建模1.问题重述1.1提出问题1896年，意大利电气工程师伽利尔摩马可尼用电磁波进行约两公里距离的无线电通讯实验获得成功，自此打开了现代无线电通信的大门。无线通信使用的灵活性极大地方便了用户。近年来无线通信，特别是移动通信，一直以惊人的速度迅猛发展，已成为带动全球经济发展的主要高科技产业之一

6、，并对人类生活及社会发展产生了巨大的影响。在移动通信中，发送端和接收端之间通过电磁波来传输信号，我们可以想象两者之间有一些看不见的电磁通路，并把这些电磁通路称为无线信道。无线信道与周围的环境密切相关，不同环境下的无线信道具有一些差异化的特征。如何发现并提取这些特征并将其应用于优化无线网络，是当前的一个研究热点。类比人类指纹，我们将上述无线信道的差异化的特征称为无线信道“指纹”。无线信道“指纹”特征建模，就是在先验模型和测试数据的基础上，提取不同场景或不同区域内无线信道的差异化的特征，进而分析归纳出“指纹”的“数学模型”，并给出清晰准确的“数

7、学描述”。与有线通信不同，无线通信信号以无线电波的形式来传播，其主要有三个特点：1、传播的开放性，2、接收环境的复杂性，3、通信用户的随机移动性[]。从发射机到接收机这一传播过程包含多种传播方式，从简单的视距传播的直达波（即自由空间波），到遇到各种复杂地形产生的地波（即表面波），更甚至是大气层反射产生的对流层反射波、电离层波等，因此其传播路径非常复杂。其次，因为无线信号在空气中传播，其具有极度的随机性。同时，通信用户随机的移动导致的发射机和接收机的相对运动速也会影响信号的传播，因此，无线电传播模型受多重因素的制约。在典型的无线信道中，电磁波

8、的传输不是单一路径的，而是由许多因散射（包括反射和衍射）而形成的路径所构成的。由于电磁波沿各条路径的传播距离不同，因此相同发射信号经由各条路径到达接收端的时间各不相同，即多径的时