發(fā)布時間：2020-03-19 07:37

【摘要】：本論文圍繞第五代(5G)移動無線通信的關鍵技術之一——Massive MIMO天線技術展開研究,主要從Massive MIMO天線選擇技術及算法、圓柱形陣列布局的Massive MIMO天線系統(tǒng)中圓形陣列波束寬度的估算、5G sub-6 GHz天線單元設計三個方面展開了深入的研究和探討。我們首先以系統(tǒng)信道容量最大化為準則對Massive MIMO系統(tǒng)中的天線選擇進行了深入地研究。基于傳統(tǒng)子矩陣最大體積(即方形子矩陣最大體積)的天線選擇是一種可以獲得近似最優(yōu)的信道容量性能的天線選擇算法,但該算法只能對方形子矩陣問題進行求解。本文通過引入矩形矩陣體積的定義對傳統(tǒng)子矩陣體積進行了擴充,使其適用于矩形子矩陣體積的計算。在此基礎上,我們將矩形子矩陣最大體積的求解方法應用于Massive MIMO天線選擇,提出基于矩形子矩陣最大體積的Massive MIMO天線選擇算法。該算法不僅克服了方形子矩陣最大體積天線選擇算法固有的缺陷,還充分利用和保持了其結果原有的近似最優(yōu)容量性能優(yōu)勢;此外,基于矩形子矩陣最大體積天線選擇算法還獲得了比方形子矩陣最大體積的天線選擇算法略低的計算復雜度。其次,我們提出了一種新型的基于全域迭代交換的Massive MIMO天線選擇方法,并對其在非理想信道估計情形下進行了相關的研究與討論;與基于子矩陣最大體積的天線選擇類似,該方法同樣可以獲得近似最優(yōu)的信道容量性能。據(jù)此,我們提出了全域搜索局部交換天線選擇算法(GSL-swapping)、全域搜索全局交換天線選擇算法(GSG-swapping)和改進全域搜索全局交換天線選擇算法(IGSGswapping)。GSL-swapping算法獲得比基于子矩陣最大體積的算法更好的容量性能,二者復雜度相同。盡管GSG-swapping算法的容量性能相對略低,但是其獲得了計算復雜度的大幅下降的收益,且當天線選擇數(shù)相對于單天線終端數(shù)較大時,容量損失基本可以忽略不計。IGSG-swapping算法則以較小的信道容量性能為代價換取了更大幅度計算復雜度的降低,提供了一個容量性能與復雜度性能的平衡。更重要的是,基于全域迭代交換的算法可以對任意天線選擇數(shù)的問題進行求解,徹底消除了傳統(tǒng)子矩陣最大體積天線選擇中的問題。進一步地,本文通過矩陣變換的方式對全域迭代交換天線選擇方法進行重新推導和計算,成功避免其中的數(shù)學近似過程,完善了全域迭代交換天線選擇的原理,得到容量性能更優(yōu)的修正型全域迭代交換天線選擇,并據(jù)此提出了基于修正型全域搜索局部交換(Modified-L)和基于修正型全域搜索全局交換(Modified-G)的Massive MIMO天線選擇算法。兩種修正型算法均獲得了信道容量性能的提升,尤其在信噪比較低時性能改善更為明顯。為了降低算法復雜度,本文將Modified-L算法與隨機選擇算法結合,提出了基于分步選擇和基于分組選擇的Modified-L算法,即SS-Modified-L算法和GS-Modified-L算法。兩種算法均以較小的容量性能為代價換取了計算復雜度的大幅度降低。在天線選擇數(shù)相對較多時,所付出容量性能代價將會變得非常小�？紤]空對地通信中的機場環(huán)境,本文先對地面基站的Massive MIMO天線布局進行了簡要的探討,然后對均勻圓柱形陣列配置情形中的圓形陣列半功率波束寬度的快速估計展開研究,提出兩個分別用于水平面和俯仰面半功率波束寬度估算的簡易公式,并通過數(shù)值計算對它們的有效性、計算精度及計算速度進行了論證。與現(xiàn)有的估計公式相比,本文提出的近似計算式具有更為簡單的形式,能夠以良好的精度快速估算指向在一定角度范圍內(nèi)變化的主波束的半功率波束寬度。因此,本文提出的近似計算式的應用范圍更加廣泛,也更具有實際應用價值。在5G sub-6 GHz頻段的天線設計研究方面,本文給出了兩個寬帶雙極化天線單元設計案例。我們通過饋電連接結構異形設計、特殊寄生結構設計等方法實現(xiàn)對天線輸入阻抗、耦合等的調(diào)節(jié),使天線單元的兩個偶極天線具有盡可能相同的有效電流路徑長度以及在非饋電偶極天線上獲得對稱的電流分布,最終獲得良好的天線性能。本文從電流分布角度對天線設計的部分性能指標做了詳細的探討和分析,并對其中一個天線設計模型進行了樣品加工,測試結果與設計結果基本一致,說明了本文的天線設計是可實現(xiàn)的。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5;TN822

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 尤肖虎;潘志文;高西奇;曹淑敏;鄔賀銓;;5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關鍵技術[J];中國科學:信息科學;2014年05期

相關博士學位論文 前2條

1 解志斌;MIMO系統(tǒng)的優(yōu)化與天線選擇算法的研究[D];東北大學;2009年

2 朱耀麟;MIMO系統(tǒng)中發(fā)射天線選擇算法研究[D];上海大學;2007年

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本文編號：2589923