5G多天线系统的波束管理研究

发布时间：2020-05-28 06:58

【摘要】：为了满足蜂窝移动通信系统对数据吞吐量的需求,第三代合作伙伴项目(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)在第五代(the 5thGeneration,5G)移动通信新空口(New Radio,NR)研究中将运用更大的带宽、更高阶的调制以及更多天线数的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术。5G多天线系统以其高容量、大规模天线的高增益和灵活的波束赋形等特点,成为5GNR研究的热点之一。5G NR MIMO融合全维度MIMO(Full Dimension-MIMO,FD-MIMO)和大规模MIMO(MassiveMIMO)技术,从空间维度和天线数量两方面进行增强。其中,FD-MIMO综合多个维度信息提高了空间分离度,灵活的波束赋形与动态下倾角调整技术进一步增强了覆盖深度。考虑到FD-MIMO的技术特点,结合其与5G密集异构组网(Heterogeneous Networks,HetNets)技术,通过垂直波束下倾角调整与小区接入的联合优化,实现更精确的小区接入方式将具有十分重要的研究意义;此外,5G Massive MIMO拥有远高于传统MIMO的大规模天线和窄波束数量,但在提升频谱效率的同时,如何提高波束管理中波束扫描过程的资源利用率并有效降低波束上报负载开销等问题仍亟待研究和解决。针对上述问题,本文开展了对5G多天线系统的波束管理研究,主要研究工作及创新点总结如下:针对FD-MIMO异构网络中小区接入问题,本文通过动态垂直波束赋形技术对小区中心用户和小区边缘用户进行配置。之后,针对小区接入与垂直波束下倾角调整的联合优化问题,提出了基于拉格朗日对偶分解的联合处理算法(Joint Processing algorithm based on Lagrange Dual Decomposition,JP-LDD算法),从多个维度提高了小区接入有效性与精确度,实现系统频谱效率的最大化。在此基础上,进一步设计了接入控制策略并对JP-LDD算法进行收敛性与计算复杂度分析。系统级仿真结果表明,与传统接入算法相比,JP-LDD算法在提高频谱效率、减少小区间干扰方面具有明显优越性。此外,不同天线配置下的频谱效率曲线证实了JP-LDD算法在Massive MIMO系统中的可行性。针对NR Massive MIMO波束管理中上下行参考信号映射结构以及波束扫描过程中资源利用率低的问题,本文提出了一种基于交织频分多址(Interleaving Frequency Division Multiple Access,IFDMA)模型的统一可配信道状态指示参考信号(Channel State Indication Reference Signal,CSI-RS)及探测参考信号(Sounding Reference Signal,SRS)映射结构以及相应信令配置,以同时实现波束扫描及信道状态信息(Channel State Information,CSI)获取功能。基于该结构,进一步提出了一种提高NR MIMO波束扫描过程中空闲资源利用率的方案,并推导出系统进行波束扫描时的吞吐量公式。系统级仿真结果表明,本文所提方案能为单小区平均吞吐量带来7.5%左右的提升,为之后深入研究波束上报机制奠定基础。针对NR Massive MIMO波束管理中非分组式波束上报机制造成较高系统开销问题,本文依次给出三种降低开销的子方案。首先,提出了N-1差分比特法、发射波束状态法(有序与无序)三种新的上报方法来降低上报中CSI-RS资源标识的负载开销;随后,为进一步降低层一参考信号接收功率(Layer 1-Reference Signal Received Power,L1-RSRP)测量值负载,进一步提出部分上报、混合上报两种上报类型,并设计了上报内容有效性判决方案;最后,基于基站的灵活配置及信令设计,结合上述上报方法及类型提出周期性动态配置的波束上报机制。仿真结果表明,本文提出的降低波束上报开销方案减少了接近25%的上报开销,从而提升了5G NR MIMO系统上行平均吞吐量。
【图文】：

对比图,毫米波,频段,波束

逦？邋．－NB逦Ｓ｜）＼＿逦（■逡逑图１－１邋４Ｇ邋ＬＴＥ与５ＧＮＲ技术对比图逡逑图１－１给出了邋４Ｇ与５Ｇ的标准研究技术对比图，从中可以看出两者存在非逡逑常大的技术重合。但若从通信协议的角度纵向分析，可以看出就底层而言，５Ｇ物逡逑理层技术有着非常大的变化，当中最具代表性的是“毫米波”、“Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ”逡逑和“波束管理”三项技术。５Ｇ邋ＮＲ载波频段分为两部分，频段一从４５０邋ＭＨｚ到逡逑６０００邋ＭＨｚ，频段二为毫米波波段从２４．２５邋ＧＨｚ到５２．６邋ＧＨｚ［ｍ４］。尽管３ＧＰＰ不逡逑排除使用６邋ＧＨｚ以下频段对ＮＲ进行部署，但似乎大多数的部署仍会在毫米波逡逑频段进行［１５］。由于毫米波的特性，ＮＲ需要更多技术手段来弥补低覆盖范围，高逡逑衰落，易受阻挡，绕射能力弱的缺陷［１６“８］。此外，５ＧＭａｓｓｉｖｅＭＩＭＯ中数量庞大逡逑的天线和能量更集中的波束

异构网络,场景,联合优化,下倾角

ＦＤ－ＭＩＭＯ５Ｇ，入和垂直波束下倾角调整的联合优化问题，，旨在让用户综合考虑待接入的候选基逡逑站和垂直波束下倾角，实现接入一个基站的一个下倾角。本章的联合优化目标是逡逑实现ＦＤ－ＭＩＭＯ异构网络中系统频谱效率的最大化。该优化目标受制于小区接及垂直波束下倾角的相关约束条件。由于小区接入这一约束条件，使得复杂的优逡逑化问题转化成混合整数非线性规划问题。因此，针对上述联合优化问题，本章提逡逑出了一种基于拉格朗日对偶分解的联合处理算法（ＪＰ－ＬＤＤ算法）。后续还将给出逡逑对于ＦＤ－ＭＩＭＯ异构网络的接入控制策略。此外，基于３ＧＰＰ给出的异构网络中逡逑主要假设和参数进行了系统级仿真。相关结果表明，无论在提高频谱效率还是在逡逑小区边缘用户干扰协调方面，ＪＰ－ＬＤＤ算法都优于传统的小区接入算法。本章下部分安排如下。第二小节中，给出ＦＤ－ＭＩＭＯ异构网络系统模型及联合优化理。第三小节介绍用于解决小区接入及垂直下倾角调整的联合优化问题所提出的逡逑．ＩＰ－ＬＤＤ算法。仿真结果将在第四小节中给出，后续的第五小节给出了本章结论。逡逑２．２系统模型及联合优化问题求解逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN828.6

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