隨著智能終端和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的快速發(fā)展,海量的連接和大視頻流量爆炸式增長,第五代（5G）移動通信系統(tǒng)具有的大帶寬、低時延、廣連接等特性,為高清視頻、AR/VR為代表的特色業(yè)務和垂直行業(yè)應用提供了技術(shù)能力保障,成為移動通信甚至信息化產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。從無線空中接口技術(shù)來看,相對于4G,移動通信基站配置幾十根甚至上百根天線的大規(guī)模MIMO陣列,通過控制天線陣子的發(fā)射信號的幅度和相位,進行多個波束定向賦型,增強廣域覆蓋、深度覆蓋、高樓覆蓋等場景,提升5G網(wǎng)絡峰值速率、容量和頻譜效率。然而在實際應用和部署中,大規(guī)模MIMO技術(shù)仍存在一些有待解決的問題,如大規(guī)模MIMO預編碼設計、系統(tǒng)容量極限性能分析、三維天線陣列設計、多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道信息獲取以及無線傳輸優(yōu)化。因此,本論文開展面向5G移動通信系統(tǒng)的大規(guī)模MIMO無線通信理論和傳輸優(yōu)化設計的研究具有重要意義,具體研究內(nèi)容如下:首先,當基站端配置已知理想的信道狀態(tài)信息下,系統(tǒng)地研究了最大比傳輸、迫零檢測和最小均方誤差三種不同的線性預編碼方案,分別推導出多用戶集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)頻譜效率的精確表達式�；谒玫降睦碚摻馕鼋Y(jié)果,對大... 

【文章來源】：武漢大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：124 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

5G移動通信系統(tǒng)定義三大應用場景及關(guān)鍵技術(shù)指標

武漢大學博士論文1.1.2大規(guī)模MIMO技術(shù)2010年，貝爾實驗室的ThomasL.Marzetta教授提出了大規(guī)模MIMO的概念[30]。大規(guī)模MIMO技術(shù)，通過在基站端集中配置幾十根甚至上百根天線如（64/128/256等），深度挖掘空間維度資源，使得多個用戶可以在同一時頻資源上與基站同時進行通信，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高系統(tǒng)頻譜效率和功率效率。從5G無線空中接口技術(shù)來看，相對于4G的單/雙極化天線及4/8通道天線，大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域等）提升服務質(zhì)量、頻譜和能量利用效率[31]。圖1.2:傳統(tǒng)MIMO天線波束與大規(guī)模MIMO天線波束對比圖（a）傳統(tǒng)MIMO的固定寬波束（b）大規(guī)模MIMO的動態(tài)窄波束圖1.2描繪了傳統(tǒng)MIMO天線波束與大規(guī)模MIMO天線波束，通過對比可以看出，面向5G的大規(guī)模MIMO天線技術(shù)比傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)有無法比擬的物理特性和性能優(yōu)勢[32]，主要有表現(xiàn)在以下三個方面：(1)大規(guī)模MIMO技術(shù)增加了系統(tǒng)吞吐量。通過多個天線陣子形成了多個相對獨立的波束，空分復用，不同用戶之間的信道正交特性，16-24個并行波束數(shù)據(jù)流，從而大幅提升系統(tǒng)總吞吐量；(2)大規(guī)模MIMO技術(shù)提升了系統(tǒng)空間分辨率。多天線陣列同時在水平和垂直方向波束賦型，可有效提升水平和垂直覆蓋的能力。尤其在高樓覆蓋、無人機空域覆蓋，空間分辨率得到了明顯提升。(3)大規(guī)模MIMO技術(shù)提高了系統(tǒng)覆蓋增益。對處于小區(qū)邊緣的用戶，利用信道估計技術(shù)自動地調(diào)整天線陣的能量和相位，通過業(yè)務信道的波束賦型，將波束精準地指向邊緣用戶和特定區(qū)域，大幅降低鄰區(qū)干擾和小區(qū)內(nèi)干擾，增強信道質(zhì)量，進一步延伸了小區(qū)覆蓋，提升了邊緣用戶的接入速率。-4-

目前在基站部署大規(guī)模天線元素主要有兩種切實可行方案。第一種解決方案是使用高頻段毫米波載波頻率(30GHz及以上),主要因為毫米波工作頻段為30-300GHz具有豐富的頻譜資源,其工作波長非常小(0.01-0.1厘米)[55]。根據(jù)天線理論,毫米波的天線尺寸非常微小,毫米波憑借其較短的波長,能夠有效縮小天線元素間距,可以將大規(guī)模天線元素集中封裝在非常小的物理空間內(nèi),在配置同等數(shù)量天線的條件下,有效地減小了天線尺寸,這使得在緊湊的物理空間內(nèi)封裝更多的天線元件成為可能,便于系統(tǒng)小型化和系統(tǒng)集成。除此之外,毫米波還具有抗干擾能力強安全性高,非授權(quán)頻譜范圍廣等優(yōu)勢。相比于微波頻段,雖然毫米波頻率的云衰、雨衰、以及各種建筑材料阻擋吸收作用更加明顯,導致信號在傳播過程中路徑損耗非常大[56,57]。大規(guī)模MIMO技術(shù)的波束形成和陣列增益能夠有效補償毫米波巨大的路徑衰落,提高網(wǎng)絡覆蓋范圍。因此,毫米波與形成與大規(guī)模MIMO技術(shù)優(yōu)勢互補和完美結(jié)合,為大規(guī)模MIMO技術(shù)的發(fā)展提供了必要條件。文獻[58]提出了將毫米波技術(shù)與大規(guī)模MIMO技術(shù)相結(jié)合,減輕了陣列尺寸的限制,顯著提高了系統(tǒng)頻譜效率。文獻[59]對信號在毫米波頻段進行了測試,測量結(jié)果表明無線信號在自由空間傳播時路徑損耗大穿透力差,導致信號傳輸衰減大。由于毫米波頻段的似光傳播特性,視距傳播在毫米波通信中起著主導作用。作者M.Samimi、S.Nie在文獻[60,61]從毫米波MIMO信道新特性和空間統(tǒng)計模型入手,展開用戶熱點區(qū)域覆蓋場景下毫米波大規(guī)模MIMO無線信道特征與容量分析、波束訓練與跟蹤理論方法以及空間復用傳輸機制與優(yōu)化理論方法。結(jié)果表明毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能夠使無線傳輸速率、系統(tǒng)容量、功率效率和時延等指標較現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)提高至少一到兩個量級。朝著這個方向,第二種有效解決方案是使用?三維天線陣列,因為其天線陣列具有幾點優(yōu)勢[62]:(a)在基站部署裊?更多的天線元件;(b)實現(xiàn)更多定向傳輸即窄波束輻射模式;(c)提供更高的天線增益以克服路徑損耗。例如,作者A.Forenza在文獻[63]研究了均勻平面陣列(UPA)、均勻平面陣列(ULA)和均勻平面陣列(UCA)等幾種天線陣結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)可達和速率和空間衰落相關(guān)性的影響,指出天線陣結(jié)構(gòu)對MIMO性能有重要影響。由于大規(guī)模毫米波MIMO是一項新興的技術(shù),對平面天線陣不同幾何形狀的進一步研究具有特殊的意義。比如,2012年國家重大專項啟動了針對64天線的三維大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究項目立工作,采用大量收發(fā)信機(TRX)與多個天線陣列,可以將波束賦形與用戶間的空間復用相結(jié)合,大力提升區(qū)域頻譜效率。另外,2014年863計劃啟動了針對128~256天線的毫米波大規(guī)模MIMO技術(shù)的立項工作,并將在后續(xù)階段中持續(xù)推動該技術(shù)的研究、驗證與標準化工作。毫米波大規(guī)模MIMO作為5G的一個候選技術(shù),借助高頻段毫米波頻段可以有效減少天線間距在有限物理空間布置更多的天線數(shù)量,通過在基站側(cè)采用大量天線來提升數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性[64]。學術(shù)界和工業(yè)界對集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的研究主要集中在這幾個方面,比如實際信道模型、信道信息獲取、無線傳輸方案以及線性預編碼方案設計等,國內(nèi)設備商和運營也展開了大規(guī)模天線樣機的研發(fā),大唐電信開展了三維大規(guī)模MIMO技術(shù)研究與驗證方面的工作,其采用64通道的二維平面天線陣,擬開發(fā)8套系統(tǒng)支持16個天線單元的分布式天線和每1套支持128天線單元的集中式大規(guī)模。在毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,基站端可以配置不同的三維天線陣列,這樣信號可以在水平和垂直方向進行動態(tài)調(diào)整[65]。因此,能量能夠更加準確地服務指定用戶,從而減少了小區(qū)間干擾,能夠支持多個用戶間的空間復用。而未來大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的天線陣列部署方式有平面陣列、松散分布式陣列、L形陣列,球形陣列等[66],現(xiàn)有的信道估計算法對于其他的天線陣列未必會適用。所以,基于不同天線陣列結(jié)構(gòu)的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)亟待進一步研究。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3108097