面向5G的多天线信道特性研究和性能分析

发布时间：2020-07-13 02:50

【摘要】：无线移动通信系统正在向第五代迈进。移动互联网时代,数据爆炸式增长,为了应对挑战,5G必须在关键技术上做出突破。其中无线传输技术是重点,而在无线传输技术中受到关注的热门技术是多天线技术(Multiple Input Multiple Output,MIMO)。MIMO技术主要的扩展方向是天线的维度和数量,如果维度上扩展到垂直维度,则成为3D MIMO;如果大量增加收发端天线数量,则成为Massive MIMO。现有的可用于无线通信的传统频带频谱资源相较于需求已经非常吃紧,目前许多研究已经在高频段如:毫米波段展开。虽然很多研究者将目光转向了其他频段,但是这并非意味着无线通信的传统工作频段不再需要进一步研究。5G中的MIMO技术的规模和维度都有了极大扩展,在热门传统频段如:3.5 GHz,想要深入了解实际的MIMO信道状态,开展这些频段的实际信道测量是一种很有效的方式。对于信道测量,测量场景也是需要考虑的关键一环。5G中定义了未来主要的典型部署场景,其中室内传播环境中主要关注室内热点(Indoor Hotspot,InH)和室内办公(Indoor Office)场景,室外传播环境中主要关注城市微小区(Urban Micro Cell,UMi)、城市宏小区(Urban Macro Cell,UMa)等场景,此外值得重点关注的是室外到室内(outdoor to indoor,021)场景,未来室内服务需求会是主要的增长部分,占到总服务需求的50%以上。本文基于InH和UMi、UMa、02I场景的实测信道数据,对3D MIMO和Massive MIMO信道传播特性进行了研究,对其系统性能的影响因素进行了研究。具体的研究点包括:(1)研究InH场景下3D MIMO信道参数自相关和互相关特性。首先完成信道测量平台搭建,并进行InH场景的3D MIMO信道测量,测量平台的中心频率设置为3.5GHz,频带带宽为200MHz,发射天线采用32阵元的全向天线阵列,接收天线采用56阵元的全向天线阵列。然后基于测量数据完成参数提取,计算参数的自相关性和参数间互相关性,可以得到参数的自相关距离并与3GPP提出的建模方法进行了对比。(2)研究不同场景下Massive MIMO信道传播特性和性能。搭建信道测量平台,完成UMi、UMa、021场景的Massive MIMO测量。提取参数后进行分析,主要研究Massive MIMO信道的角度扩展、信道矩阵奇异值分布及信道容量。角度扩展和奇异值分布均能反映Massive MIMO子信道相关性,子信道相关性会影响Massive MIMO信道容量。在进行分析时,着重对测量的数据进行信道容量的分析,通过对比不同条件下信道容量结果,研究传播环境、带宽、天线数目和结构的影响。(3)验证不同场景下Massive MIMO有利传播成立的条件。作为研究Massive MIMO系统的一项重要特性,有利传播条件(Favorable Propagation Condition,FPC)主要指子信道向量的相互正交性。在本文中,结合实际应用场景的角度扩展值,验证具体场景中Massive MIMO有利传播成立的条件。
【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】：TN929.5
【图文】：

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先进行有针对性的信道测量，由此掌握真实信道的特征，给予设计工作参逡逑考和依据，更准确地建模信道。逡逑基于不同的场景，在整个测量过程中，在收发端配置天线，天线的不同类型、逡逑不同数目都在测量方案中确定。针对特定的某个场景，与信道有关的统计参数分逡逑为大尺度和小尺度参数。本章首先将介绍信道测量。然后对信道测量设备和天线逡逑类型配置，基本原理进行介绍。逡逑２．１设备说明逡逑２．１．１信道探测器逡逑信道探测器是用来探测信道的设备，信道探测器有几种不同类型，这些O)器逡逑接收端输出的是时变的信道冲击响应（Ｃｈａｎｎｅｌ邋Ｉｍｐｏｓｅ邋Ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ＣＩＲ）或者时变逡逑的频率响应，两者为傅里叶变换对。在测量过程中，信号从发射机产生，然后经逡逑过调制，混频等步骤后，通过发射天线发送，在真实环境中传播。接收机在信号逡逑通过信道传播到达时接收信号，通过解调制等步骤，得到需要的信号后，通过采逡逑集设备至情＿\ 查＿情＿元中。信道测量的谭亨里ub更？．．．．．．．．．．．．逡逑

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或信道频率响应。本文主要采用伊莱比特（Ｅｌｅｋｔｒｏｂｉｔ）公司开发生产的ＰｒｏｐＳｏｕｎｄ逡逑ＣＳ，ｓｏｕｎｄ即为“探测”的含义。ＰｒｏｐＳｏｕｎｄＣＳ是一种时域信道探测器，可用于逡逑宽带多天线时域信道探测。发射机和接收机及存储单元如图２－２所示。基于实验逡逑室在使用这套设备上也有着多年经验。本课题研宄采用了邋ＰｒｏｐＳｏｕｎｄ邋ＣＳ设备来逡逑采集信道传输的数据。逡逑（ａ）发射机逦（ｂ）接收机和存储单元逡逑图２－２设备示意图［３６］逡逑２．１．２设备工作流程逡逑ＰｒｏｐＳｏｕｎｄ邋ＣＳ邋是一个基于时分复用（Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｉｔｐｌｅｘｉｎｇ，邋ＴＤＭ）模逡逑式的可用于ＭＩＭＯ测量的相关信道测试仪，其系统构成如图２－２所示。对于相逡逑关测试仪如Ｐｒｏｐｓｏｕｎｄ邋ＣＳ：逡逑发射设备：ＰｒｏｐＳｏｕｎｄＣＳ采用的基带信号是伪随机（Ｐｅｓｕｄｏ－Ｎｏｉｓｅ，ＰＮ）序逡逑列。基带信号需要进行调制，可选的调制方式如：ＢＰＳＫ。然后经上变频器将调逡逑制信号搬移到所需载频，形成指定带宽的宽带信号。接着通过功率放大器增强信逡逑号强度，具体发射功率大小应依据规划的测量区域大小计算确定阈值，这一步主逡逑要使得信号能够经过传输后到达接收端时，不至于被淹没在噪声中，而无法得到逡逑有效的输出。射频信号通过发射天线发射

示意图,天线,系统结构

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