【摘要】：為了滿足蜂窩移動通信系統(tǒng)對數據吞吐量的需求,第三代合作伙伴項目(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)在第五代(the 5thGeneration,5G)移動通信新空口(New Radio,NR)研究中將運用更大的帶寬、更高階的調制以及更多天線數的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術。5G多天線系統(tǒng)以其高容量、大規(guī)模天線的高增益和靈活的波束賦形等特點,成為5GNR研究的熱點之一。5G NR MIMO融合全維度MIMO(Full Dimension-MIMO,FD-MIMO)和大規(guī)模MIMO(MassiveMIMO)技術,從空間維度和天線數量兩方面進行增強。其中,FD-MIMO綜合多個維度信息提高了空間分離度,靈活的波束賦形與動態(tài)下傾角調整技術進一步增強了覆蓋深度。考慮到FD-MIMO的技術特點,結合其與5G密集異構組網(Heterogeneous Networks,HetNets)技術,通過垂直波束下傾角調整與小區(qū)接入的聯(lián)合優(yōu)化,實現更精確的小區(qū)接入方式將具有十分重要的研究意義;此外,5G Massive MIMO擁有遠高于傳統(tǒng)MIMO的大規(guī)模天線和窄波束數量,但在提升頻譜效率的同時,如何提高波束管理中波束掃描過程的資源利用率并有效降低波束上報負載開銷等問題仍亟待研究和解決。針對上述問題,本文開展了對5G多天線系統(tǒng)的波束管理研究,主要研究工作及創(chuàng)新點總結如下:針對FD-MIMO異構網絡中小區(qū)接入問題,本文通過動態(tài)垂直波束賦形技術對小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶進行配置。之后,針對小區(qū)接入與垂直波束下傾角調整的聯(lián)合優(yōu)化問題,提出了基于拉格朗日對偶分解的聯(lián)合處理算法(Joint Processing algorithm based on Lagrange Dual Decomposition,JP-LDD算法),從多個維度提高了小區(qū)接入有效性與精確度,實現系統(tǒng)頻譜效率的最大化。在此基礎上,進一步設計了接入控制策略并對JP-LDD算法進行收斂性與計算復雜度分析。系統(tǒng)級仿真結果表明,與傳統(tǒng)接入算法相比,JP-LDD算法在提高頻譜效率、減少小區(qū)間干擾方面具有明顯優(yōu)越性。此外,不同天線配置下的頻譜效率曲線證實了JP-LDD算法在Massive MIMO系統(tǒng)中的可行性。針對NR Massive MIMO波束管理中上下行參考信號映射結構以及波束掃描過程中資源利用率低的問題,本文提出了一種基于交織頻分多址(Interleaving Frequency Division Multiple Access,IFDMA)模型的統(tǒng)一可配信道狀態(tài)指示參考信號(Channel State Indication Reference Signal,CSI-RS)及探測參考信號(Sounding Reference Signal,SRS)映射結構以及相應信令配置,以同時實現波束掃描及信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)獲取功能。基于該結構,進一步提出了一種提高NR MIMO波束掃描過程中空閑資源利用率的方案,并推導出系統(tǒng)進行波束掃描時的吞吐量公式。系統(tǒng)級仿真結果表明,本文所提方案能為單小區(qū)平均吞吐量帶來7.5%左右的提升,為之后深入研究波束上報機制奠定基礎。針對NR Massive MIMO波束管理中非分組式波束上報機制造成較高系統(tǒng)開銷問題,本文依次給出三種降低開銷的子方案。首先,提出了N-1差分比特法、發(fā)射波束狀態(tài)法(有序與無序)三種新的上報方法來降低上報中CSI-RS資源標識的負載開銷;隨后,為進一步降低層一參考信號接收功率(Layer 1-Reference Signal Received Power,L1-RSRP)測量值負載,進一步提出部分上報、混合上報兩種上報類型,并設計了上報內容有效性判決方案;最后,基于基站的靈活配置及信令設計,結合上述上報方法及類型提出周期性動態(tài)配置的波束上報機制。仿真結果表明,本文提出的降低波束上報開銷方案減少了接近25%的上報開銷,從而提升了5G NR MIMO系統(tǒng)上行平均吞吐量。
【圖文】：

邐？邋．－NB邐Ｓ｜）＼＿邐（■逡逑圖１－１邋４Ｇ邋ＬＴＥ與５ＧＮＲ技術對比圖逡逑圖１－１給出了邋４Ｇ與５Ｇ的標準研究技術對比圖，從中可以看出兩者存在非逡逑常大的技術重合。但若從通信協(xié)議的角度縱向分析，可以看出就底層而言，５Ｇ物逡逑理層技術有著非常大的變化，當中最具代表性的是“毫米波”、“Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ”逡逑和“波束管理”三項技術。５Ｇ邋ＮＲ載波頻段分為兩部分，頻段一從４５０邋ＭＨｚ到逡逑６０００邋ＭＨｚ，頻段二為毫米波波段從２４．２５邋ＧＨｚ到５２．６邋ＧＨｚ［ｍ４］。盡管３ＧＰＰ不逡逑排除使用６邋ＧＨｚ以下頻段對ＮＲ進行部署，但似乎大多數的部署仍會在毫米波逡逑頻段進行［１５］。由于毫米波的特性，ＮＲ需要更多技術手段來彌補低覆蓋范圍，高逡逑衰落，易受阻擋，繞射能力弱的缺陷［１６“８］。此外，５ＧＭａｓｓｉｖｅＭＩＭＯ中數量龐大逡逑的天線和能量更集中的波束

ＦＤ－ＭＩＭＯ５Ｇ，入和垂直波束下傾角調整的聯(lián)合優(yōu)化問題，，旨在讓用戶綜合考慮待接入的候選基逡逑站和垂直波束下傾角，實現接入一個基站的一個下傾角。本章的聯(lián)合優(yōu)化目標是逡逑實現ＦＤ－ＭＩＭＯ異構網絡中系統(tǒng)頻譜效率的最大化。該優(yōu)化目標受制于小區(qū)接及垂直波束下傾角的相關約束條件。由于小區(qū)接入這一約束條件，使得復雜的優(yōu)逡逑化問題轉化成混合整數非線性規(guī)劃問題。因此，針對上述聯(lián)合優(yōu)化問題，本章提逡逑出了一種基于拉格朗日對偶分解的聯(lián)合處理算法（ＪＰ－ＬＤＤ算法）。后續(xù)還將給出逡逑對于ＦＤ－ＭＩＭＯ異構網絡的接入控制策略。此外，基于３ＧＰＰ給出的異構網絡中逡逑主要假設和參數進行了系統(tǒng)級仿真。相關結果表明，無論在提高頻譜效率還是在逡逑小區(qū)邊緣用戶干擾協(xié)調方面，ＪＰ－ＬＤＤ算法都優(yōu)于傳統(tǒng)的小區(qū)接入算法。本章下部分安排如下。第二小節(jié)中，給出ＦＤ－ＭＩＭＯ異構網絡系統(tǒng)模型及聯(lián)合優(yōu)化理。第三小節(jié)介紹用于解決小區(qū)接入及垂直下傾角調整的聯(lián)合優(yōu)化問題所提出的逡逑．ＩＰ－ＬＤＤ算法。仿真結果將在第四小節(jié)中給出，后續(xù)的第五小節(jié)給出了本章結論。逡逑２．２系統(tǒng)模型及聯(lián)合優(yōu)化問題求解逡逑
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN828.6

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本文編號：2684891