【摘要】：隨著無線通信系統(tǒng)的快速迭代更新,對無線信號傳播的媒介——無線信道的深入認(rèn)識的需求也日益增高。縱觀人類商用移動通信發(fā)展史,無線空口技術(shù)從第一代移動通信(The 1st Generation Mobile Communication,1G)的模擬通信,到第二代(The 2nd Generation Mobile Communication,2G)、第三代(The 3rd Generation Mobile Communication,3G)移動通信的時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)、碼分多址(Code Division Multiple Access,CDMA),再到第四代長期演進(jìn)系統(tǒng)(Long Term Evolution,LTE)的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和多輸入多輸出技術(shù)(Multiple Input Multiple Output,MIMO),時域、頻域、碼域、以及空域上無線資源得到了極大的拓展和利用。在第五代移動通信(The 5th Generation Mobile Communication,5G)中,各種移動智能終端的大量普及,海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用以及垂直行業(yè)新業(yè)務(wù)的不斷催生,使得移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸性增長,這就對新型無線空口技術(shù)提出了嚴(yán)峻要求。目前,大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)(Massive MIMO),又稱為大規(guī)模多天線技術(shù),已經(jīng)被確定為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。理論研究表明,massive MIMO技術(shù)能夠極大提升頻譜效率,提高系統(tǒng)傳輸速率和吞吐量,降低能量損耗,提高通信可靠性。當(dāng)該技術(shù)與波束賦形技術(shù)結(jié)合時,能夠充分利用無線信道的空域資源,帶來顯著的陣列增益、干擾抑制增益和空分復(fù)用增益。對massive MIMO無線信道的理解是對massive MIMO無線系統(tǒng)開展設(shè)計、分析、評估及應(yīng)用的前提;而對massive MIMO信道中電波傳播特性的掌握則是對massive MIMO無線通信相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究的物理基礎(chǔ)。一個合理準(zhǔn)確能夠真實(shí)反映大規(guī)模多天線信道特征的信道模型,是massive MIMO應(yīng)用于未來通信系統(tǒng)中的重要前提之一。因此針對massive MIMO通信傳播信道的建模已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。然而,針對massive MIMO的信道特征研究以及對應(yīng)的可靠模型目前還十分有限。為了促使massive MIMO技術(shù)從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用,迫切需要對不同熱點(diǎn)場景下的massive MIMO通信進(jìn)行更多的信道表征和信道建模。基于上述需求,本文面向massive MIMO無線信道開展了大量實(shí)地測量和仿真,從不同維度對massive MIMO無線信道進(jìn)行了電波傳播特性分析與建模方法研究。本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)自主設(shè)計并搭建了面向massive MIMO信道的自動化信道測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用虛擬陣列技術(shù),能夠支持不同陣列形式,如線陣、面陣、圓柱陣等;支持較寬的頻率范圍(3.33 GHz～26 GHz)。利用該自動化信道測量系統(tǒng),開展了不同室內(nèi)典型熱點(diǎn)場景下、不同陣列形式以及不同頻段的massive MIMO信道測量,為后續(xù)信道特征的深入分析和建模打下基礎(chǔ)。(2)提出了一種適用于massive MIMO信道的新型多維度多徑分簇算法架構(gòu)。該算法架構(gòu)首先借助子空間交替迭代(Space-Alternating Generalized Expectation-maximization,SAGE)算法對信道的多徑成份(Multipath Component,MPC)進(jìn)行萃取;然后利用基于多徑成份距離(Multipath Component Distance,MCD)的多徑追蹤算法對陣列維度MPC進(jìn)行識別;同時,還使用KPowerMeans分簇算法對MPC整體數(shù)據(jù)集進(jìn)行初步分簇。提出了公共簇與非公共簇概念,此外還提出了一種陣列維度的多徑簇重劃分算法,能夠?qū)assive MIMO陣列維度的非公共簇進(jìn)行有效劃分。(3)基于測量數(shù)據(jù)以及分簇算法處理結(jié)果,結(jié)合陣列維度從時延域、頻率域,以及角度域?qū)Υ笠?guī)模多天線信道進(jìn)行了詳細(xì)全面的信道特征分析,著重對信道三維(Three Dimensional,3D)空間中電波傳播特征進(jìn)行了探索。對水平和垂直方向的信道空間非平穩(wěn)特征進(jìn)行了研究。基于立體幾何的基本原理提出了massive MIMO信道的球面波前信號模型。以上工作為后續(xù)基于多維度多徑簇的massive MIMO信道建模提供了前提。(4)針對在massive MIMO信道測量中觀測到的密集多徑成份(Dense Multipath Component,DMC),利用基于RiMAX思想的多元聯(lián)合優(yōu)化算法提取了不同室內(nèi)熱點(diǎn)場景下的密集多徑成份關(guān)鍵參數(shù)并對其進(jìn)行陣列維度的參數(shù)建模。同時給出了massive MIMO信道中密集多徑成份的仿真實(shí)現(xiàn)方法。DMC模型驗(yàn)證結(jié)果表明,所提出DMC模型能夠顯著改善信道建模的準(zhǔn)確度。(5)針對massive MIMO信道,提出了一種基于多維度多徑簇的3D massive MIMO信道模型。給出了信道模型全局參數(shù)、簇間和簇內(nèi)參數(shù)的具體值。給出了基于多維度多徑簇3D massive MIMO信道模型仿真實(shí)現(xiàn)方法,并以此為基礎(chǔ)采用信道香農(nóng)容量和條件數(shù)作為度量標(biāo)準(zhǔn)對模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明所提出的信道模型能夠以較低的復(fù)雜度有效表征真實(shí)massive MIMO信道。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5
【圖文】：

信號強(qiáng)度的目的。在ＬＴＥ的ＭＩＭＯ系統(tǒng)中，雖然基站具備多天線，但是天線數(shù)目逡逑一般為８根，波束賦形時生成的波束較寬，方向性增益效果有所欠缺。在通信系逡逑統(tǒng)中，天線陣列規(guī)模越大，波束賦形能夠發(fā)揮的作用也就越明顯。圖１．２展示了逡逑傳統(tǒng)ＭＩＭＯ基站和ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ基站信號覆蓋的對比示意圖。逡逑同時應(yīng)該注意到，實(shí)際ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系統(tǒng)中，天線陣元排列往往是二維或者逡逑三維的，這意味著信號可以在水平和垂直方向進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，因此能量能夠更加逡逑４逡逑

Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ逡逑第４章在第２章和第３章的基礎(chǔ)上，開展了詳細(xì)全面的ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道特逡逑征化分析。分析了包括平均功率時延譜（Ｐｏｗｅｒ邋Ｄｅｌａｙ邋Ｐｒｏｆｉｌｅ，ＰＤＰ）、路徑損耗、逡逑萊斯Ｋ因子、均方根時延擴(kuò)展以及相千帶寬這幾種典型信道參數(shù)。此外，基于ＳＡＧＥ逡逑多徑萃取結(jié)果著重地對信道多徑的俯仰角分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計性建模，對陣列水逡逑平和垂直維度的空間非平穩(wěn)特征進(jìn)行了分析和建模；同時對３Ｄ信道球面波傳播進(jìn)逡逑行了幾何推導(dǎo)和建模。本章的貢獻(xiàn)在于在測量和算法的幫助下，總結(jié)出了邋ｍａｓｓｉｖｅ逡逑ＭＩＭ？信道相比于傳統(tǒng)ＭＩＭＯ信道的新特征，為后續(xù)基于簇的信道建模打下基礎(chǔ)。逡逑第５章主要介紹ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道密集多徑成份（ＤＭＣ）建模工作。首先指逡逑出我們的信道測量的觀測現(xiàn)象，探討了信道中密集多徑成份的產(chǎn)生機(jī)制，對ＤＭＣ逡逑的估計算法和仿真實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹，最后開展了面向ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道的密逡逑集多徑成份的建模以及模型驗(yàn)證。這部分工作對于ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道的精細(xì)化建逡逑模具有十分重要的意義。逡逑第６章提出了一個面向３Ｄ邋ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道的基于多維度多徑族的信道模逡逑

本文編號：2713266