【摘要】：21世紀(jì)以來,移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)的需求量正在逐年增長(zhǎng),當(dāng)前的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)在容量、覆蓋、性能等方面都難以滿足未來移動(dòng)通信的需求。為了滿足2020年無線通信傳輸速率達(dá)到現(xiàn)有系統(tǒng)千倍的需求,進(jìn)一步挖掘頻譜資源和多天線的空間復(fù)用能力是提高頻譜效率和能量效率的關(guān)鍵途徑。毫米波頻段擁有大量空白免費(fèi)資源,尚未被充分開發(fā),因此毫米波通信受到了各國電信部門及企業(yè)的高度重視:與此同時(shí),在接入點(diǎn)配置大規(guī)模多天線系統(tǒng),可以進(jìn)一步挖掘多天線的空間復(fù)用能力,大幅提高系統(tǒng)總的頻譜效率和能量效率。由此可見,毫米波大規(guī)模多天線技術(shù)是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù),并可以為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)提供有力的保障。本文將圍繞毫米波大規(guī)模多天線系統(tǒng)信道物理參數(shù)估計(jì)、傳輸機(jī)制、多用戶調(diào)度、動(dòng)態(tài)資源分配等問題,針對(duì)提升頻譜利用率的目標(biāo)及高效、低功耗的通信需求,采用模型建立、參數(shù)提取、算法設(shè)計(jì)、性能分析及仿真驗(yàn)證等手段開展對(duì)不同環(huán)境、不同天線結(jié)構(gòu)、不同預(yù)編碼架構(gòu)以及無人機(jī)蜂群場(chǎng)景下的信道估計(jì)、傳輸機(jī)制、多用戶調(diào)度、動(dòng)態(tài)資源分配、自定位等方面的研究。論文的創(chuàng)新性工作主要包括如下幾個(gè)方面:1)對(duì)于傳統(tǒng)多天線信道模型不能表征毫米波大規(guī)模多天線特有的信道特性這一問題,設(shè)計(jì)更加貼合毫米波大規(guī)模多天線自身特征的系統(tǒng)模型和信道模型并基于陣列天線理論研究了60GHz室內(nèi)環(huán)境配備均勻平面天線陣列的大規(guī)模多天線系統(tǒng)的信道估計(jì)和傳輸機(jī)制問題。根據(jù)毫米波大規(guī)模多天線系統(tǒng)的獨(dú)特屬性,信道估計(jì)可以分解為角度估計(jì)和路徑增益估計(jì)兩部分。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于陣列信號(hào)處理輔助的快速到達(dá)角估計(jì)算法,同時(shí)可以用非常少量的訓(xùn)練資源來獲取信道增益信息,這顯著地降低了訓(xùn)練開銷和反饋成本。此外,利用角度互易性來設(shè)計(jì)同時(shí)滿足時(shí)分雙工和頻分雙工系統(tǒng)的下行鏈路信道估計(jì)算法。為了提高頻譜和能量效率,還設(shè)計(jì)了一種基于不同用戶的角度標(biāo)識(shí)集合信息的用戶調(diào)度算法。與現(xiàn)有的信道估計(jì)算法相比,新提出的信道估計(jì)算法不需要任何的信道統(tǒng)計(jì)信息,可以通過二維離散傅里葉變換操作有效部署,并且可以同時(shí)適用于時(shí)分雙工和頻分雙工系統(tǒng),是60GHz室內(nèi)通信的有效解決方案。2)對(duì)于高頻段器件工藝水平不夠且價(jià)格高昂這一問題,結(jié)合硬件性能受限的室外毫米波大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù),提出了一種新的混合模擬數(shù)字預(yù)編碼架構(gòu)的毫米波大規(guī)模多天線系統(tǒng)低成本的信道估計(jì)方案,并對(duì)該方案進(jìn)行性能分析。在所提出的估計(jì)方法中,信道被分解為到達(dá)角信息和信道增益信息。首先,基于二維離散傅里葉變換和角度旋轉(zhuǎn)操作設(shè)計(jì)了快速到達(dá)角估計(jì)算法,并且使用少量的訓(xùn)練資源設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的信道增益估計(jì)算法。為了評(píng)估所提出的到達(dá)角估計(jì)和信道增益估計(jì)算法的性能,推導(dǎo)出了聯(lián)合到達(dá)角估計(jì)和信道增益估計(jì)算法的均方誤差理論界限和相應(yīng)的克拉美羅下界理論界限的閉合表達(dá)式。結(jié)果表明,在天線數(shù)足夠多的情況下,所提出的到達(dá)角估計(jì)算法和信道增益估計(jì)算法非常接近相應(yīng)的克拉美羅下界,具有很好的性能。3)對(duì)于傳統(tǒng)毫米波系統(tǒng)服務(wù)用戶數(shù)量不能大于射頻器件數(shù)量這一問題,研究了具有混合模擬數(shù)字預(yù)編碼架構(gòu)的毫米波非正交多址系統(tǒng)的信道估計(jì)、混合預(yù)編碼、用戶調(diào)度和功率分配問題。利用毫米波信道的特殊結(jié)構(gòu)特征,提出了一種通用的迭代索引檢測(cè)信道估計(jì)算法,它既可以估算每個(gè)信道路徑的到達(dá)角信息還可以估計(jì)每個(gè)信道路徑的信道增益。隨后,又提出了一種基于角度域的混合模擬數(shù)字預(yù)編碼方案,這種方案可以減少不同波束間的干擾從而提高系統(tǒng)的可達(dá)和速率。為了最大化系統(tǒng)可達(dá)和速率,結(jié)合不同用戶的干擾約束,建模了聯(lián)合優(yōu)化用戶調(diào)度和功率分配的非凸問題。為了解決這個(gè)非凸問題,將其分解為兩個(gè)子問題,即用戶調(diào)度子問題和功率分配子問題。隨后,提出了一種新穎的基于匹配理論的用戶調(diào)度算法來解決用戶調(diào)度子問題。利用用戶調(diào)度結(jié)果,提出了迭代優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的功率分配。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)方法相比,所提出的到達(dá)角估計(jì)和信道估計(jì)算法都有更好的性能和更低的計(jì)算復(fù)雜度。此外,所提出的基于匹配理論的用戶調(diào)度算法和動(dòng)態(tài)功率分配方案的性能也優(yōu)于傳統(tǒng)的毫米波波束域多天線系統(tǒng)。4)對(duì)于無人機(jī)尺寸不能滿足大規(guī)模天線數(shù)量的需求這一問題,提出了一種無人機(jī)蜂群系統(tǒng)的信道估計(jì)和自定位算法。根據(jù)信道的物理特性,可以將信道分解為到達(dá)角信息,無人機(jī)間的相對(duì)位置信息和相應(yīng)的信道增益信息。首先,證明了行列式矩陣零空間的唯一性,并提出一種基于秩損估計(jì)器的到達(dá)角估計(jì)算法。在獲得到達(dá)角信息之后,可以使用非常少量的訓(xùn)練資源執(zhí)行信道增益估計(jì)。理論上,當(dāng)發(fā)送信號(hào)的數(shù)量大于或等于3時(shí),自定位估計(jì)算法就不會(huì)存在模糊性。然而,由于噪聲的存在,在實(shí)際估計(jì)中可能會(huì)出現(xiàn)異�，F(xiàn)象。隨后,提出了兩種有效的自定位算法,避免了對(duì)整個(gè)格點(diǎn)區(qū)域的窮舉搜索,大大減少了計(jì)算復(fù)雜度。此外,還推導(dǎo)了自定位估計(jì)克拉美羅下界的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果表明,所提出的信道估計(jì)和自定位算法具有很好的性能。當(dāng)發(fā)送信號(hào)的數(shù)量增加、信噪比增大和樣本數(shù)量增加時(shí),所提出的算法的性能會(huì)進(jìn)一步提高。
【圖文】：

而目前６ＧＨｚ以下的商用頻譜資源非常稀缺，毫米波頻段卻擁有大量逡逑空白免費(fèi)資源，尚未被充分開發(fā)，因此毫米波通信受到了各國電信部門及企逡逑業(yè)的高度重視。如圖１．１所示，為了在５Ｇ產(chǎn)業(yè)上取得優(yōu)勢(shì)，美國聯(lián)邦通信委逡逑員會(huì)（ｆｅｄｅｒａｌ邋ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，，ＦＣＣ）率先頒布邋５Ｇ邋毫米波頻段，共逡逑１１ＧＨｚ帶寬，包括授權(quán)頻段３．８５ＧＨｚ帶寬（２８ＧＨｚ、３７ＧＨｚ、３９ＧＨｚ）和非授逡逑權(quán)頻段７ＧＨｚ帶寬（包括６４ＧＨｚ和７１ＧＨｚ）。２０１５年１１月２６日，國際電信聯(lián)逡逑盟（ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋ｕｎｉｏｎ，ＩＴＵ）邋２０１５邋年在全球無線電通信會(huì)議逡逑（ｗｏｒｌｄ邋ｒａｄｉｏｃｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ，ＷＲＣ）中將邋２４．２５邋２７＿５ＧＨｚ邋作為邋５Ｇ邋主要毫逡逑米波候選頻段之一。歐盟委員會(huì)無線頻譜政策組（ｒａｄｉｏ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｐｏｌｉｃｙ邋ｇｒｏｕｐ，逡逑ＲＳＰＧ）擬將２６ＧＨｚ作為首選毫米波頻段。我國的“ＩＭＴ－２０２０邋（５Ｇ）推進(jìn)組”積逡逑極推進(jìn)５Ｇ商用計(jì)劃，并于２０１７年６月面向社會(huì)公開征求將２４．７５邋２７．５ＧＨｚ和逡逑３７邋４２．５ＧＨｚ或其他毫米波頻段用于５Ｇ系統(tǒng)的意見。逡逑在己頒布或正在制定的數(shù)項(xiàng)毫米波通信國際標(biāo)準(zhǔn)（ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ／ａｊ／ａｙ等）逡逑中

術(shù)界和工業(yè)界近二十年來研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)ｍ。為使移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率和逡逑能量效率進(jìn)一步提高，研究者們提出在基站布置數(shù)十甚至數(shù)百根天線組成的大規(guī)逡逑模天線陣列替代目前采用的小規(guī)模多天線（４－８根天線）架構(gòu)，如圖１．２所示。由逡逑此形成的大規(guī)模ＭＩＭＯ通信環(huán)境顯著提升空間分辨率，成倍增強(qiáng)用戶頻譜復(fù)用能逡逑力，大幅度提高系統(tǒng)頻譜效率［８］。此外，大規(guī)模天線陣列產(chǎn)生的陣列增益與分集逡逑增益，也可以有效改進(jìn)用戶與基站通信的能量效率［９］。逡逑在無線頻譜方面，６ＧＨｚ以下的中低頻段已被各類無線電業(yè)務(wù)占用，頻譜資逡逑源極度匱乏，而毫米波頻段具有豐富的可用頻率資源，能夠有效擴(kuò)展未來無線移逡逑動(dòng)通信的頻譜｜１Ｑ１。此外，毫米波頻段具有信號(hào)衰落快、路徑稀疏性強(qiáng)、跨小區(qū)干逡逑擾低、保密性出色等特點(diǎn)，適合超密集微蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署［１１］。因此，毫米波通信必逡逑將成為５Ｇ乃至５Ｇ后的關(guān)鍵技術(shù)之一
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.5

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本文編號(hào)：2687473