【摘要】：21世紀以來,移動數據服務的需求量正在逐年增長,當前的第四代移動通信系統(tǒng)在容量、覆蓋、性能等方面都難以滿足未來移動通信的需求。為了滿足2020年無線通信傳輸速率達到現有系統(tǒng)千倍的需求,進一步挖掘頻譜資源和多天線的空間復用能力是提高頻譜效率和能量效率的關鍵途徑。毫米波頻段擁有大量空白免費資源,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,在接入點配置大規(guī)模多天線系統(tǒng),可以進一步挖掘多天線的空間復用能力,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)模多天線技術是未來移動通信系統(tǒng)的關鍵核心技術,并可以為未來移動通信系統(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)信道物理參數估計、傳輸機制、多用戶調度、動態(tài)資源分配等問題,針對提升頻譜利用率的目標及高效、低功耗的通信需求,采用模型建立、參數提取、算法設計、性能分析及仿真驗證等手段開展對不同環(huán)境、不同天線結構、不同預編碼架構以及無人機蜂群場景下的信道估計、傳輸機制、多用戶調度、動態(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方面:1)對于傳統(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,設計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)的信道估計和傳輸機制問題。根據毫米波大規(guī)模多天線系統(tǒng)的獨特屬性,信道估計可以分解為角度估計和路徑增益估計兩部分。在此基礎上,提出了一種基于陣列信號處理輔助的快速到達角估計算法,同時可以用非常少量的訓練資源來獲取信道增益信息,這顯著地降低了訓練開銷和反饋成本。此外,利用角度互易性來設計同時滿足時分雙工和頻分雙工系統(tǒng)的下行鏈路信道估計算法。為了提高頻譜和能量效率,還設計了一種基于不同用戶的角度標識集合信息的用戶調度算法。與現有的信道估計算法相比,新提出的信道估計算法不需要任何的信道統(tǒng)計信息,可以通過二維離散傅里葉變換操作有效部署,并且可以同時適用于時分雙工和頻分雙工系統(tǒng),是60GHz室內通信的有效解決方案。2)對于高頻段器件工藝水平不夠且價格高昂這一問題,結合硬件性能受限的室外毫米波大規(guī)模MIMO傳輸技術,提出了一種新的混合模擬數字預編碼架構的毫米波大規(guī)模多天線系統(tǒng)低成本的信道估計方案,并對該方案進行性能分析。在所提出的估計方法中,信道被分解為到達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操作設計了快速到達角估計算法,并且使用少量的訓練資源設計了簡單的信道增益估計算法。為了評估所提出的到達角估計和信道增益估計算法的性能,推導出了聯合到達角估計和信道增益估計算法的均方誤差理論界限和相應的克拉美羅下界理論界限的閉合表達式。結果表明,在天線數足夠多的情況下,所提出的到達角估計算法和信道增益估計算法非常接近相應的克拉美羅下界,具有很好的性能。3)對于傳統(tǒng)毫米波系統(tǒng)服務用戶數量不能大于射頻器件數量這一問題,研究了具有混合模擬數字預編碼架構的毫米波非正交多址系統(tǒng)的信道估計、混合預編碼、用戶調度和功率分配問題。利用毫米波信道的特殊結構特征,提出了一種通用的迭代索引檢測信道估計算法,它既可以估算每個信道路徑的到達角信息還可以估計每個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字預編碼方案,這種方案可以減少不同波束間的干擾從而提高系統(tǒng)的可達和速率。為了最大化系統(tǒng)可達和速率,結合不同用戶的干擾約束,建模了聯合優(yōu)化用戶調度和功率分配的非凸問題。為了解決這個非凸問題,將其分解為兩個子問題,即用戶調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度算法來解決用戶調度子問題。利用用戶調度結果,提出了迭代優(yōu)化算法來實現動態(tài)的功率分配。仿真結果表明,與傳統(tǒng)方法相比,所提出的到達角估計和信道估計算法都有更好的性能和更低的計算復雜度。此外,所提出的基于匹配理論的用戶調度算法和動態(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)對于無人機尺寸不能滿足大規(guī)模天線數量的需求這一問題,提出了一種無人機蜂群系統(tǒng)的信道估計和自定位算法。根據信道的物理特性,可以將信道分解為到達角信息,無人機間的相對位置信息和相應的信道增益信息。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器的到達角估計算法。在獲得到達角信息之后,可以使用非常少量的訓練資源執(zhí)行信道增益估計。理論上,當發(fā)送信號的數量大于或等于3時,自定位估計算法就不會存在模糊性。然而,由于噪聲的存在,在實際估計中可能會出現異�，F象。隨后,提出了兩種有效的自定位算法,避免了對整個格點區(qū)域的窮舉搜索,大大減少了計算復雜度。此外,還推導了自定位估計克拉美羅下界的閉合表達式。仿真結果表明,所提出的信道估計和自定位算法具有很好的性能。當發(fā)送信號的數量增加、信噪比增大和樣本數量增加時,所提出的算法的性能會進一步提高。
【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產業(yè)上取得優(yōu)勢，美國聯邦通信委逡逑員會（ｆｅｄｅｒａｌ邋ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，，ＦＣＣ）率先頒布邋５Ｇ邋毫米波頻段，共逡逑１１ＧＨｚ帶寬，包括授權頻段３．８５ＧＨｚ帶寬（２８ＧＨｚ、３７ＧＨｚ、３９ＧＨｚ）和非授逡逑權頻段７ＧＨｚ帶寬（包括６４ＧＨｚ和７１ＧＨｚ）。２０１５年１１月２６日，國際電信聯逡逑盟（ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋ｕｎｉｏｎ，ＩＴＵ）邋２０１５邋年在全球無線電通信會議逡逑（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）推進組”積逡逑極推進５Ｇ商用計劃，并于２０１７年６月面向社會公開征求將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項毫米波通信國際標準（ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ／ａｊ／ａｙ等）逡逑中

術界和工業(yè)界近二十年來研究的熱點和重點ｍ。為使移動通信系統(tǒng)的頻譜效率和逡逑能量效率進一步提高，研究者們提出在基站布置數十甚至數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，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，成倍增強用戶頻譜復用能逡逑力，大幅度提高系統(tǒng)頻譜效率［８］。此外，大規(guī)模天線陣列產生的陣列增益與分集逡逑增益，也可以有效改進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，能夠有效擴展未來無線移逡逑動通信的頻譜｜１Ｑ１。此外，毫米波頻段具有信號衰落快、路徑稀疏性強、跨小區(qū)干逡逑擾低、保密性出色等特點，適合超密集微蜂窩網絡部署［１１］。因此，毫米波通信必逡逑將成為５Ｇ乃至５Ｇ后的關鍵技術之一
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2687473