基于多径簇的三维大规模多天线信道测量与建模研究

发布时间：2020-06-14 19:44

【摘要】：随着无线通信系统的快速迭代更新,对无线信号传播的媒介——无线信道的深入认识的需求也日益增高。纵观人类商用移动通信发展史,无线空口技术从第一代移动通信(The 1st Generation Mobile Communication,1G)的模拟通信,到第二代(The 2nd Generation Mobile Communication,2G)、第三代(The 3rd Generation Mobile Communication,3G)移动通信的时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)、码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA),再到第四代长期演进系统(Long Term Evolution,LTE)的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和多输入多输出技术(Multiple Input Multiple Output,MIMO),时域、频域、码域、以及空域上无线资源得到了极大的拓展和利用。在第五代移动通信(The 5th Generation Mobile Communication,5G)中,各种移动智能终端的大量普及,海量物联网设备的大规模应用以及垂直行业新业务的不断催生,使得移动数据流量将呈现爆炸性增长,这就对新型无线空口技术提出了严峻要求。目前,大规模多输入多输出技术(Massive MIMO),又称为大规模多天线技术,已经被确定为5G的关键技术之一。理论研究表明,massive MIMO技术能够极大提升频谱效率,提高系统传输速率和吞吐量,降低能量损耗,提高通信可靠性。当该技术与波束赋形技术结合时,能够充分利用无线信道的空域资源,带来显著的阵列增益、干扰抑制增益和空分复用增益。对massive MIMO无线信道的理解是对massive MIMO无线系统开展设计、分析、评估及应用的前提;而对massive MIMO信道中电波传播特性的掌握则是对massive MIMO无线通信相关技术进行研究的物理基础。一个合理准确能够真实反映大规模多天线信道特征的信道模型,是massive MIMO应用于未来通信系统中的重要前提之一。因此针对massive MIMO通信传播信道的建模已经引起了学术界和工业界的极大兴趣。然而,针对massive MIMO的信道特征研究以及对应的可靠模型目前还十分有限。为了促使massive MIMO技术从理论研究走向实际应用,迫切需要对不同热点场景下的massive MIMO通信进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无线信道开展了大量实地测量和仿真,从不同维度对massive MIMO无线信道进行了电波传播特性分析与建模方法研究。本论文的主要工作和创新点体现在以下几个方面:(1)自主设计并搭建了面向massive MIMO信道的自动化信道测量系统。该系统采用虚拟阵列技术,能够支持不同阵列形式,如线阵、面阵、圆柱阵等;支持较宽的频率范围(3.33 GHz～26 GHz)。利用该自动化信道测量系统,开展了不同室内典型热点场景下、不同阵列形式以及不同频段的massive MIMO信道测量,为后续信道特征的深入分析和建模打下基础。(2)提出了一种适用于massive MIMO信道的新型多维度多径分簇算法架构。该算法架构首先借助子空间交替迭代(Space-Alternating Generalized Expectation-maximization,SAGE)算法对信道的多径成份(Multipath Component,MPC)进行萃取;然后利用基于多径成份距离(Multipath Component Distance,MCD)的多径追踪算法对阵列维度MPC进行识别;同时,还使用KPowerMeans分簇算法对MPC整体数据集进行初步分簇。提出了公共簇与非公共簇概念,此外还提出了一种阵列维度的多径簇重划分算法,能够对massive MIMO阵列维度的非公共簇进行有效划分。(3)基于测量数据以及分簇算法处理结果,结合阵列维度从时延域、频率域,以及角度域对大规模多天线信道进行了详细全面的信道特征分析,着重对信道三维(Three Dimensional,3D)空间中电波传播特征进行了探索。对水平和垂直方向的信道空间非平稳特征进行了研究。基于立体几何的基本原理提出了massive MIMO信道的球面波前信号模型。以上工作为后续基于多维度多径簇的massive MIMO信道建模提供了前提。(4)针对在massive MIMO信道测量中观测到的密集多径成份(Dense Multipath Component,DMC),利用基于RiMAX思想的多元联合优化算法提取了不同室内热点场景下的密集多径成份关键参数并对其进行阵列维度的参数建模。同时给出了massive MIMO信道中密集多径成份的仿真实现方法。DMC模型验证结果表明,所提出DMC模型能够显著改善信道建模的准确度。(5)针对massive MIMO信道,提出了一种基于多维度多径簇的3D massive MIMO信道模型。给出了信道模型全局参数、簇间和簇内参数的具体值。给出了基于多维度多径簇3D massive MIMO信道模型仿真实现方法,并以此为基础采用信道香农容量和条件数作为度量标准对模型进行了仿真验证。验证结果表明所提出的信道模型能够以较低的复杂度有效表征真实massive MIMO信道。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5
【图文】：

信号强度的目的。在ＬＴＥ的ＭＩＭＯ系统中，虽然基站具备多天线，但是天线数目逡逑一般为８根，波束赋形时生成的波束较宽，方向性增益效果有所欠缺。在通信系逡逑统中，天线阵列规模越大，波束赋形能够发挥的作用也就越明显。图１．２展示了逡逑传统ＭＩＭＯ基站和ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ基站信号覆盖的对比示意图。逡逑同时应该注意到，实际ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ系统中，天线阵元排列往往是二维或者逡逑三维的，这意味着信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，因此能量能够更加逡逑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章的基础上，开展了详细全面的ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道特逡逑征化分析。分析了包括平均功率时延谱（Ｐｏｗｅｒ邋Ｄｅｌａｙ邋Ｐｒｏｆｉｌｅ，ＰＤＰ）、路径损耗、逡逑莱斯Ｋ因子、均方根时延扩展以及相千带宽这几种典型信道参数。此外，基于ＳＡＧＥ逡逑多径萃取结果着重地对信道多径的俯仰角分布特征进行了统计性建模，对阵列水逡逑平和垂直维度的空间非平稳特征进行了分析和建模；同时对３Ｄ信道球面波传播进逡逑行了几何推导和建模。本章的贡献在于在测量和算法的帮助下，总结出了邋ｍａｓｓｉｖｅ逡逑ＭＩＭ？信道相比于传统ＭＩＭＯ信道的新特征，为后续基于簇的信道建模打下基础。逡逑第５章主要介绍ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道密集多径成份（ＤＭＣ）建模工作。首先指逡逑出我们的信道测量的观测现象，探讨了信道中密集多径成份的产生机制，对ＤＭＣ逡逑的估计算法和仿真实现方法进行了介绍，最后开展了面向ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道的密逡逑集多径成份的建模以及模型验证。这部分工作对于ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道的精细化建逡逑模具有十分重要的意义。逡逑第６章提出了一个面向３Ｄ邋ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ信道的基于多维度多径族的信道模逡逑

本文编号：2713266