隨著無(wú)線接入設(shè)備數(shù)目的急劇增長(zhǎng)以及人們對(duì)于高速率、高質(zhì)量通信的要求提高,關(guān)于第五代(5th Generation,5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究正在如火如荼的展開(kāi)。為了有效解決或突破目前通信系統(tǒng)面臨的瓶頸和挑戰(zhàn),需要合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并使用一些先進(jìn)技術(shù)來(lái)達(dá)到5G的愿景和要求。毫米波和大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)作為5G的兩種關(guān)鍵技術(shù),它們的應(yīng)用對(duì)于解決現(xiàn)有頻譜資源緊張和提高信道容量、頻譜效率、能量效率等問(wèn)題有重要意義。毫米波通信可以借助于大規(guī)模MIMO補(bǔ)償路徑衰減,大規(guī)模MIMO可以利用毫米波波長(zhǎng)較短的特點(diǎn)極大減小陣列尺寸,二者結(jié)合相互補(bǔ)充,極大突出各自的優(yōu)勢(shì),從而滿足5G通信系統(tǒng)的部分需求。但這些技術(shù)的使用會(huì)給無(wú)線信道帶來(lái)不同于傳統(tǒng)信道的傳輸特性,為了更好的了解毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線信道中信號(hào)的傳輸特性,進(jìn)而對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化,則需要借助于大量不同場(chǎng)景、天線配置和工作頻段等的信道測(cè)量。此外,由于陣列尺寸的增大以及更高路徑分辨率的要求,需要使用高分辨率、低復(fù)雜度的處理算法對(duì)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此,考慮到目前仍然缺少毫米波大規(guī)模MIMO信道測(cè)量和特性分析工作,以及現(xiàn)有信道參數(shù)估計(jì)算法所面臨的精確度和復(fù)雜度的問(wèn)題亟需解決,本博士課題將致力于多種信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法以及毫米波大規(guī)模MIMO信道特性分析的研究。論文首先分析不同類(lèi)別陣列信號(hào)處理算法的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn),并就目前各種算法應(yīng)用于實(shí)測(cè)信道測(cè)量數(shù)據(jù)處理的情況進(jìn)行總結(jié)。在此基礎(chǔ)上選取參數(shù)估計(jì)算法,并首次將這些算法均擴(kuò)展至應(yīng)用于水平面陣的情況,提出了新穎的改進(jìn)SI-JADE和三維FD-SAGE算法。論文將算法分為兩類(lèi),第一類(lèi)算法可以對(duì)水平到達(dá)角(Azimuth Angle of Arrival,AAoA)和俯仰到達(dá)角(Elevation AoA,EAoA)進(jìn)行估計(jì);第二類(lèi)算法引入了路徑時(shí)延信息,可以實(shí)現(xiàn)AAoA、EAoA和時(shí)延的聯(lián)合估計(jì)。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),在第一類(lèi)算法中,擴(kuò)展的MUSIC算法在一定天線配置和信道狀況時(shí)的估計(jì)性能以及路徑分辨力優(yōu)于擴(kuò)展的LS-ESPRIT和Unitary ESPRIT算法,但由于角度搜索過(guò)程導(dǎo)致復(fù)雜度較高。擴(kuò)展的Unitary ESPRIT算法的仿真性能與LS-ESPRIT算法接近,但它將復(fù)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成實(shí)值運(yùn)算,因此復(fù)雜度更低。在第二類(lèi)算法中,除了將JADEMUSIC、JADEESPRIT、SI-JADE和SAGE算法進(jìn)行擴(kuò)展,我們提出了新穎的改進(jìn)SI-JADE和三維FD-SAGE算法,在保證精確度的前提下進(jìn)一步降低算法的復(fù)雜度。并且,第二類(lèi)算法由于考慮了時(shí)延信息,所以能夠分辨出更多的路徑。改進(jìn)SI-JADE算法在估計(jì)性能和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于其余幾種基于JADE思想的算法。SAGE算法和三維FD-SAGE算法具有最精確的估計(jì)性能,但相比于SAGE算法,三維FD-SAGE算法能夠區(qū)分更多的相近路徑。將以上兩類(lèi)算法分別應(yīng)用于60 GHz室內(nèi)信道非視距場(chǎng)景的測(cè)量數(shù)據(jù)分析,我們進(jìn)一步比較了不同算法估計(jì)得到的路徑不同,并參照測(cè)量環(huán)境和配置判斷估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在三維空間角度估計(jì)時(shí),MUSIC算法僅能夠估計(jì)得到路徑簇的角度范圍,其他兩種算法估計(jì)的結(jié)果存在很多干擾路徑。在三維空間角度和時(shí)延聯(lián)合估計(jì)中,SAGE、三維FD-SAGE以及改進(jìn)SI-JADE算法均可以得到較多的相近路徑信息,能夠應(yīng)用于實(shí)測(cè)信道測(cè)量數(shù)據(jù)處理。但需要注意的,隨著陣列尺寸的增大和頻點(diǎn)的增加,以上除SAGE和三維FD-SAGE算法外的算法,它們的復(fù)雜度也會(huì)隨著矩陣維度的增大而急劇增大。針對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO信道測(cè)量,我們對(duì)測(cè)量時(shí)的一些場(chǎng)景和設(shè)備配置進(jìn)行歸類(lèi),比較現(xiàn)有信道測(cè)量方法,包括適用場(chǎng)景及其優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)已開(kāi)展的毫米波、大規(guī)模MIMO,以及毫米波與大規(guī)模陣列結(jié)合的信道測(cè)量和特性分析活動(dòng)分別進(jìn)行總結(jié),從而認(rèn)識(shí)現(xiàn)有測(cè)量工作和特性分析的不足。基于此,我們開(kāi)展了在不同毫米波頻段使用大規(guī)模陣列的室內(nèi)信道測(cè)量工作。論文介紹了已搭建的國(guó)際領(lǐng)先的測(cè)量平臺(tái)和已開(kāi)展的兩組測(cè)量工作:60 GHz大規(guī)模信道測(cè)量以及在16、28和38 GHz頻段使用不同陣元數(shù)目的大規(guī)模陣列信道測(cè)量。通過(guò)使用提出的三維FD-SAGE算法提取60 GHz信道的路徑參數(shù),我們發(fā)現(xiàn)到達(dá)接收端的路徑成簇存在。另外,論文著重分析了毫米波使用大規(guī)模陣列信道的傳輸特性,如超高的時(shí)延分辨率、球面波特性、空間和頻率的非平穩(wěn)特性以及簇的生滅過(guò)程等。最后,我們比較了在相同頻段時(shí)沿陣列不同方向上空間互相關(guān)性的變化,以及不同頻段時(shí)在沿陣列某一方向上的空間互相關(guān)性的不同。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在毫米波大規(guī)模陣列信道中,除了測(cè)量環(huán)境外,發(fā)送與接收端陣列內(nèi)天線位置的相對(duì)變化,以及測(cè)量的中心頻率均對(duì)空間互相關(guān)性有很大影響。那么,在接下來(lái)的信道建模乃至于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模天線布置上都要考慮這一點(diǎn)。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Cheng-Xiang WANG;Shangbin WU;Lu BAI;Xiaohu YOU;Jing WANG;Chih-Lin I;;Recent advances and future challenges for massive MIMO channel measurements and models[J];Science China(Information Sciences);2016年02期

2 王永川;田慶民;陳自力;蔣敏;;寬帶無(wú)線移動(dòng)信道特性測(cè)量方法研究[J];軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào);2008年05期

本文編號(hào)：2813144