基于测量的Massive MIMO信道性能研究及建模

发布时间：2020-04-20 03:22

【摘要】：作为当前研究的热点,第五代移动通信的新空口技术(Fifth Gener-ation New Radio,5GNR)有望于满足当前移动数据流量急剧增长的需求,与第四代移动通信相比,5G有着更高传输速率、更低时延和更低能耗的特点。大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)技术通过在基站端配置数十根甚至数百根以上的天线,来充分发掘空间自由度,提升多用户复用能力、频谱利用效率以及抗小区间干扰的能力,被认为是5GNR的关键技术之一。为了更好的研究和评估Massive MIMO技术,本文开展了多场景下信道的外场测试和理论分析,具体研究工作和创新点如下:1.Massive MIMO信道测量、数据处理及方案验证。本文利用专门的MIMO信道测量平台Sounder和天线阵列,开展了广泛的实地信道测量。基站端通过使用32阵元的双极化矩形天线来拼接合成64、128和256阵元的发射天线,移动端采用双极化圆柱形阵列中的16个阵元作为接收天线。在实验开展之前,首先验证了拼接测量方案的合理性,保证了后续测量及参数分析的正确性。测量场景包括典型的城市微蜂窝(Urban Microcell,UMi)、城市宏蜂窝(Urban Macrocell,UMa)、室外到室内(Outdoor to Indoor,021)等,测量载频为3.5 GHz和6 GHz,系统带宽为200 MHz。通过测量原始数据的处理,获得信道冲击响应,并提取出七维信道空间传播参数。2.基于测量的Massive MIMO信道有利传输特性分析。为了研究MassiveMIMO信道的有利传输特性,本文对在UMi、UMa、021场景中3.5 GHz和6 GHz载频下32～256天线阵元数量的信道传播参数统计特性进行了对比分析。并通过对多径传播相对时延和角度分布特征以及特征值扩展、信道容量这几个方面的研究,得出:随着发射阵元的增加,Massive MIMO在时域上传输特性没有明显的变化,因此与5GNR时延域有关的参数设计不需要有很大改变。但角功率谱变得更加分散,并且角度扩展变大。但载频从3.5 GHz增加到6 GHz时,接收端的角度色散更加丰富。此外,随着天线阵元和载波频率的增加,从特征值扩展上反映出信号能量在各个子信道之间的分配更加均匀,并趋于正交,从而提供更高的自由度,同时系统传输性能得到显着提高,例如,室外到室内场景中,当发射阵元从32增加到256时,在3.5和6 GHz载频下的多用户信道容量分别增加了 54%和48%。3.针对阵元间距与数量的Massive MIMO系统空间结构性能分析。为了从天线阵元数量、阵元间距及性能表现三个方面来权衡Massive MIMO系统空间结构性能,本文首先通过测量获得的一个512 × 16的Massive MIMO信道矩阵,并利用信道冲激响应矩阵重构,得到9种不同阵元间距和数量的信道冲激响应。通过容量和特征值的分析得出:阵元间距和阵元数量的增加,都能降低信道空间相关性,提高系统性能。但当天线阵元增加到某一数量时,由天线间距带来的容量增益会减小到一定程度,比如,当天线阵元从32增加到128时,1波长和0.5波长阵元间距的信道容量差会从19.3%降到7.6%,这是由阵元间距增益和天线数量增益之间存在的交互性引起的。这意味着在保证系统性能下设计拥有大量天线阵元的Massive MIMO天线时,可以考虑使用相应的较小阵元间距,从而减小天线孔径。4.基于迫零(Zero-forcing,ZF)法则的Massive MIMO系统所需天线数量的研究。本文通过理论推导和实际测量,对有限的基站天线数量下丰富散射体环境中ZF预编码的性能进行了量化评估。首先在非相关瑞利信道下进行理论推导,得出使用最佳功率分配法则,ZF预编码和速率要达到广播信道容量的η%,所需的发射天线的数量会随着传输信噪比的增加而单调递减。并推导出一个只和比值η%以及有效用户数有关的简单表达式,表征所需的天线数。然后通过仿真对上述理论推导进行了验证。最后将3.5 GHz和6 GHz两组载频下的实际测量结果与理论推导进行了对比。在实际信道中,当天线阵元间距较大相关性较低时,实测结果与理论推导一致;而当阵元间距减小使得相关性增大时,在传输信噪比较低的条件下,ZF预编码性能开始低于推导值。另外我们发现,6 GHz载频下ZF预编码的性能更接近于理论推导结论。因此,在Massive MIMO信道未达到有利传播状态时,通过提高信噪比,增大天线阵元间距以及使用更合适的载波频率,都能提高ZF预编码的性能。综上,本文围绕Massive MIMO信道有利传输的特性,开展了大量的实验测量,并从Massive MIMO信道的传播统计特性、信道容量和特征值、天线的空间结构以及预编码性能等方面进行分析,论述了 Massive MIMO信道模型、传播特性、适用场景以及相比传统的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统的性能优势。本文的研究工作和结果有助于Massive MIMO在5GNR中更广泛的应用。
【图文】：

波形,突破时空限制,场景,通联

场景规划为主要３类：超可靠低时延通信（ｃＭＴＣ）、海量连接机器类通信（ｍＭＴＣ）以逡逑及增强移动宽带（ｅＭＢＢ）（该分类包含了我国提出的广域覆盖及热点覆盖场景）。从技逡逑术标准架构这方面来看，５Ｇ无线接入技术包含了天线、编码调制、波形、帧结构、逡逑多址接人、双工模式以及接入控制协议等方面。逡逑表１－１邋５Ｇ需求［９］逡逑峰值速率：逦１０邋Ｇｂｉｔ邋／ｓ逡逑用户体验数据速率：逦０．１？１邋Ｇｂｐｓ逡逑移动性：逦Ｓ５００Ｋｍ２／ｈ逡逑传输速率：逦４Ｇ的１０？１００倍逡逑端到端时延逦１ｍｓ逡逑连接设备密度：逦１００邋１０４／Ｋｍ２逡逑流量密度逦数十Ｔｂｐｓ／Ｋｍ２逡逑表１－１为５Ｇ的关键需求指标，此外，还要求具备低成本、低能耗、安全可靠的逡逑特点。５Ｇ将使信息通信突破时空限制，为用户带来更佳的交互体验，并有效的缩短逡逑物与物之间的连接，实现人与物的相互通联。逡逑

天线,类型,频谱资源

盖区域区内的多个用户，得益于大规模天线所提供的空间自由度，能够同时在同一逡逑时频资源上和基站进行通信，由此提升了各个用户链路的频谱资源利用效率、多用逡逑户复用能力以及抵抗小区间干扰的能力，由此大幅度的提升了频谱资源的整体利用逡逑效率［３Ｗ１］。逡逑在基站天线的配置方式上，分为集中式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系统和分布式Ｍａｓｓｉｖｅ逡逑ＭＩＭＯ系统。集中式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系统把所有天线配置在同一个基站上，不需要逡逑占用多处地理位置，并可以避免利用光纤进行数据汇总时产生的同步问题【４２］。而分逡逑布式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系统把天线配置在多个传输节点上，利用光纤通信将节点连接逡逑起来，然后将数据进行集中处理，从而形成多个相互独立的传输信道，可以避免由逡逑天线配置过于紧密而产生的信道相关性过强的问题；并且分布式Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系逡逑统的覆盖范围更大［４３＿４４］。如图］－３所示，现在Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ天线主要有面阵、柱状逡逑阵列和线阵三种形式。Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ的应用场景包括常规宏覆盖、闻层建筑、室内逡逑外热点、异构网络以及无线回传链路等。在广域覆盖场景下，大规模多天线技术可逡逑以使用的６邋ＧＨｚ以下频段：而在热点覆盖和回传链路等场景中，则考虑使用高频段逡逑或晕米波通信。逡逑分布式天线连列逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

【参考文献】