【摘要】：作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn),第五代移動(dòng)通信的新空口技術(shù)(Fifth Gener-ation New Radio,5GNR)有望于滿(mǎn)足當(dāng)前移動(dòng)數(shù)據(jù)流量急劇增長(zhǎng)的需求,與第四代移動(dòng)通信相比,5G有著更高傳輸速率、更低時(shí)延和更低能耗的特點(diǎn)。大規(guī)模多輸入多輸出(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)技術(shù)通過(guò)在基站端配置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上的天線,來(lái)充分發(fā)掘空間自由度,提升多用戶(hù)復(fù)用能力、頻譜利用效率以及抗小區(qū)間干擾的能力,被認(rèn)為是5GNR的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了更好的研究和評(píng)估Massive MIMO技術(shù),本文開(kāi)展了多場(chǎng)景下信道的外場(chǎng)測(cè)試和理論分析,具體研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.Massive MIMO信道測(cè)量、數(shù)據(jù)處理及方案驗(yàn)證。本文利用專(zhuān)門(mén)的MIMO信道測(cè)量平臺(tái)Sounder和天線陣列,開(kāi)展了廣泛的實(shí)地信道測(cè)量�；径送ㄟ^(guò)使用32陣元的雙極化矩形天線來(lái)拼接合成64、128和256陣元的發(fā)射天線,移動(dòng)端采用雙極化圓柱形陣列中的16個(gè)陣元作為接收天線。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展之前,首先驗(yàn)證了拼接測(cè)量方案的合理性,保證了后續(xù)測(cè)量及參數(shù)分析的正確性。測(cè)量場(chǎng)景包括典型的城市微蜂窩(Urban Microcell,UMi)、城市宏蜂窩(Urban Macrocell,UMa)、室外到室內(nèi)(Outdoor to Indoor,021)等,測(cè)量載頻為3.5 GHz和6 GHz,系統(tǒng)帶寬為200 MHz。通過(guò)測(cè)量原始數(shù)據(jù)的處理,獲得信道沖擊響應(yīng),并提取出七維信道空間傳播參數(shù)。2.基于測(cè)量的Massive MIMO信道有利傳輸特性分析。為了研究MassiveMIMO信道的有利傳輸特性,本文對(duì)在UMi、UMa、021場(chǎng)景中3.5 GHz和6 GHz載頻下32～256天線陣元數(shù)量的信道傳播參數(shù)統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。并通過(guò)對(duì)多徑傳播相對(duì)時(shí)延和角度分布特征以及特征值擴(kuò)展、信道容量這幾個(gè)方面的研究,得出:隨著發(fā)射陣元的增加,Massive MIMO在時(shí)域上傳輸特性沒(méi)有明顯的變化,因此與5GNR時(shí)延域有關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)不需要有很大改變。但角功率譜變得更加分散,并且角度擴(kuò)展變大。但載頻從3.5 GHz增加到6 GHz時(shí),接收端的角度色散更加豐富。此外,隨著天線陣元和載波頻率的增加,從特征值擴(kuò)展上反映出信號(hào)能量在各個(gè)子信道之間的分配更加均勻,并趨于正交,從而提供更高的自由度,同時(shí)系統(tǒng)傳輸性能得到顯著提高,例如,室外到室內(nèi)場(chǎng)景中,當(dāng)發(fā)射陣元從32增加到256時(shí),在3.5和6 GHz載頻下的多用戶(hù)信道容量分別增加了 54%和48%。3.針對(duì)陣元間距與數(shù)量的Massive MIMO系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)性能分析。為了從天線陣元數(shù)量、陣元間距及性能表現(xiàn)三個(gè)方面來(lái)權(quán)衡Massive MIMO系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)性能,本文首先通過(guò)測(cè)量獲得的一個(gè)512 × 16的Massive MIMO信道矩陣,并利用信道沖激響應(yīng)矩陣重構(gòu),得到9種不同陣元間距和數(shù)量的信道沖激響應(yīng)。通過(guò)容量和特征值的分析得出:陣元間距和陣元數(shù)量的增加,都能降低信道空間相關(guān)性,提高系統(tǒng)性能。但當(dāng)天線陣元增加到某一數(shù)量時(shí),由天線間距帶來(lái)的容量增益會(huì)減小到一定程度,比如,當(dāng)天線陣元從32增加到128時(shí),1波長(zhǎng)和0.5波長(zhǎng)陣元間距的信道容量差會(huì)從19.3%降到7.6%,這是由陣元間距增益和天線數(shù)量增益之間存在的交互性引起的。這意味著在保證系統(tǒng)性能下設(shè)計(jì)擁有大量天線陣元的Massive MIMO天線時(shí),可以考慮使用相應(yīng)的較小陣元間距,從而減小天線孔徑。4.基于迫零(Zero-forcing,ZF)法則的Massive MIMO系統(tǒng)所需天線數(shù)量的研究。本文通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)際測(cè)量,對(duì)有限的基站天線數(shù)量下豐富散射體環(huán)境中ZF預(yù)編碼的性能進(jìn)行了量化評(píng)估。首先在非相關(guān)瑞利信道下進(jìn)行理論推導(dǎo),得出使用最佳功率分配法則,ZF預(yù)編碼和速率要達(dá)到廣播信道容量的η%,所需的發(fā)射天線的數(shù)量會(huì)隨著傳輸信噪比的增加而單調(diào)遞減。并推導(dǎo)出一個(gè)只和比值η%以及有效用戶(hù)數(shù)有關(guān)的簡(jiǎn)單表達(dá)式,表征所需的天線數(shù)。然后通過(guò)仿真對(duì)上述理論推導(dǎo)進(jìn)行了驗(yàn)證。最后將3.5 GHz和6 GHz兩組載頻下的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論推導(dǎo)進(jìn)行了對(duì)比。在實(shí)際信道中,當(dāng)天線陣元間距較大相關(guān)性較低時(shí),實(shí)測(cè)結(jié)果與理論推導(dǎo)一致;而當(dāng)陣元間距減小使得相關(guān)性增大時(shí),在傳輸信噪比較低的條件下,ZF預(yù)編碼性能開(kāi)始低于推導(dǎo)值。另外我們發(fā)現(xiàn),6 GHz載頻下ZF預(yù)編碼的性能更接近于理論推導(dǎo)結(jié)論。因此,在Massive MIMO信道未達(dá)到有利傳播狀態(tài)時(shí),通過(guò)提高信噪比,增大天線陣元間距以及使用更合適的載波頻率,都能提高ZF預(yù)編碼的性能。綜上,本文圍繞Massive MIMO信道有利傳輸?shù)奶匦?開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并從Massive MIMO信道的傳播統(tǒng)計(jì)特性、信道容量和特征值、天線的空間結(jié)構(gòu)以及預(yù)編碼性能等方面進(jìn)行分析,論述了 Massive MIMO信道模型、傳播特性、適用場(chǎng)景以及相比傳統(tǒng)的多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)。本文的研究工作和結(jié)果有助于Massive MIMO在5GNR中更廣泛的應(yīng)用。
【圖文】：

場(chǎng)景規(guī)劃為主要３類(lèi)：超可靠低時(shí)延通信（ｃＭＴＣ）、海量連接機(jī)器類(lèi)通信（ｍＭＴＣ）以逡逑及增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（ｅＭＢＢ）（該分類(lèi)包含了我國(guó)提出的廣域覆蓋及熱點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景）。從技逡逑術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)這方面來(lái)看，５Ｇ無(wú)線接入技術(shù)包含了天線、編碼調(diào)制、波形、幀結(jié)構(gòu)、逡逑多址接人、雙工模式以及接入控制協(xié)議等方面。逡逑表１－１邋５Ｇ需求［９］逡逑峰值速率：邐１０邋Ｇｂｉｔ邋／ｓ逡逑用戶(hù)體驗(yàn)數(shù)據(jù)速率：邐０．１？１邋Ｇｂｐｓ逡逑移動(dòng)性：邐Ｓ５００Ｋｍ２／ｈ逡逑傳輸速率：邐４Ｇ的１０？１００倍逡逑端到端時(shí)延邐１ｍｓ逡逑連接設(shè)備密度：邐１００邋１０４／Ｋｍ２逡逑流量密度邐數(shù)十Ｔｂｐｓ／Ｋｍ２逡逑表１－１為５Ｇ的關(guān)鍵需求指標(biāo)，此外，還要求具備低成本、低能耗、安全可靠的逡逑特點(diǎn)。５Ｇ將使信息通信突破時(shí)空限制，為用戶(hù)帶來(lái)更佳的交互體驗(yàn)，并有效的縮短逡逑物與物之間的連接，實(shí)現(xiàn)人與物的相互通聯(lián)。逡逑

蓋區(qū)域區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶(hù)，得益于大規(guī)模天線所提供的空間自由度，能夠同時(shí)在同一逡逑時(shí)頻資源上和基站進(jìn)行通信，由此提升了各個(gè)用戶(hù)鏈路的頻譜資源利用效率、多用逡逑戶(hù)復(fù)用能力以及抵抗小區(qū)間干擾的能力，由此大幅度的提升了頻譜資源的整體利用逡逑效率［３Ｗ１］。逡逑在基站天線的配置方式上，分為集中式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系統(tǒng)和分布式Ｍａｓｓｉｖｅ逡逑ＭＩＭＯ系統(tǒng)。集中式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系統(tǒng)把所有天線配置在同一個(gè)基站上，不需要逡逑占用多處地理位置，并可以避免利用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總時(shí)產(chǎn)生的同步問(wèn)題【４２］。而分逡逑布式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系統(tǒng)把天線配置在多個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)上，利用光纖通信將節(jié)點(diǎn)連接逡逑起來(lái)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，從而形成多個(gè)相互獨(dú)立的傳輸信道，可以避免由逡逑天線配置過(guò)于緊密而產(chǎn)生的信道相關(guān)性過(guò)強(qiáng)的問(wèn)題；并且分布式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系逡逑統(tǒng)的覆蓋范圍更大［４３＿４４］。如圖］－３所示，現(xiàn)在Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ天線主要有面陣、柱狀逡逑陣列和線陣三種形式。Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ的應(yīng)用場(chǎng)景包括常規(guī)宏覆蓋、聞層建筑、室內(nèi)逡逑外熱點(diǎn)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線回傳鏈路等。在廣域覆蓋場(chǎng)景下，大規(guī)模多天線技術(shù)可逡逑以使用的６邋ＧＨｚ以下頻段：而在熱點(diǎn)覆蓋和回傳鏈路等場(chǎng)景中，則考慮使用高頻段逡逑或暈米波通信。逡逑分布式天線連列逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張明;張建華;高新穎;張平;;一種通用寬帶MIMO信道模型[J];電子學(xué)報(bào);2006年10期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 潘淳;新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的多天線信道建模和模型驗(yàn)證[D];北京郵電大學(xué);2015年

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本文編號(hào)：2634089