面向3GPP5G标准化的大规模MIMO技术方案研究

发布时间：2020-07-29 12:36

【摘要】：21世纪是流量大爆发的时代,如今的通信速率和传输带宽已经难以满足人们日益增长的需求,面对新的挑战,5G应运而生。5G的梦想是让整个世界在信息传输上互通有无,实现人与人之间、人与机器之间、机器与机器之间在世界上任何地方,任何时间都能快速通信。大规模MIMO技术和毫米波技术是5G的两大关键技术,毫米波技术解决低频资源稀缺问题,提供连续大带宽,大规模MIMO技术通过增加输入输出天线大大提高通信系统频谱效率,同时5G引入了增强移动带宽场景、大规模机器类型通信、超高可靠和低延迟通信三大应用场景。本文主要研究面向3GPP 5G标准化的大规模MIMO技术方案,设计并实现了系统级仿真平台,对波束赋形方案、信道建模方案以及功率控制算法在多种仿真假设下进行系统性能评估,得出相关结论。本文的主要贡献和创新点如下所示:1.本课题研究分析了大规模天线阵列下的3D MIMO模型以及毫米波信道特点,对大规模MIMO信道进行分析建模,设计信道建模方案时提出了基于空间换时间思想和惰性求值思想的两种算法方案,通过对比分析,基于惰性求值思想的算法方案在不增加计算复杂度的情况下可以大大降低计算的内存损耗。此外,与3GPP其它组织成员一起参与了 5G NR校准的前两阶段工作,仿真评估系统参数对性能的影响。信道构建过程中,对3GPP提到的两种信道模型ModelA和ModelB进行仿真验证,仿真结果表明载波频率在低频条件下两种信道模型的性能基本一致。2.本课题在面向3GPP 5G标准化的大规模天线技术解决方案中,基于常见的波束扫描方案,提出了改进的混合波束赋形算法,改进方案区别于一级码本波束扫描方案,利用宽波束粗略扫描,窄波束搜索建立两级码本,宽波束粗略扫描可以降低时间复杂度,增大窄波束搜索分别率可以提高波束的精确程度来提高系统增益。此外,通过仿真平台评估该方案在不同用户数目、不同负载下的小区用户速率、吞吐量及频谱效率等性能,同时针对大规模MIMO下的5G应用场景分析了基站站间距、频点、天线波束形状以及通道数目等因素的影响,通过仿真结果给出合理的参考意见。3.论文研究分析了大规模MIMO下的上行功率控制算法,传统方案主要考虑了路径损耗的影响,本文基于传统方案提出了一种基于耦合路径损耗的改进算法,利用信道互易性的特点,考虑大尺度因素、小尺度因素及天线增益等多种影响计算来计算上行发送功率。通过方案对比,验证了改进方案的优势,同时设计合理的资源调度分配方案评估大规模MIMO下的应用场景,仿真结果表明功率控制参数对仿真测试场景的SINR分布具有显着影响,合理的功率控制参数组合能够提供平衡的小区边缘性能和平均性能。
【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】：

命名方式,单用户,多用户,天线

使用广义上的术语时，经常将ＭＩＳＯ和ＳＩＭＯ系统称为特定类型的ＭＩＭＯ配置；逡逑仅具有单个发射天线和单个接收天线的传统通信系统被称为单输入单输出逡逑（Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｉｎｐｕｔ邋Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｏｕｔｐｕｔ，邋ＳＩＳＯ）通信系统［２３］。图２－１说明了本书中使用的四逡逑种类型的天线配置和命名法，具有ｉＶ，根发射天线和根接收天线的ＭＩＭＯ系逡逑统被称为ＭＩＭＯ系统，信息流传输经过编码处理，形成ｉＶ，个字信息流，逡逑经过７Ｖ，个天线发送，经过信道后由ｉＶ，．个接收天线接收，例如４Ｘ２ＭＩＭＯ系统意逡逑味着存在四根发射天线和两根接收天线。逡逑逦Ｔ邋Ｔ邋逦邋逦ｌ＿Ｔ邋Ｖ邋逦逡逑Ｔｘ邋逦邋逦逦邋Ｒｘ逦Ｔｘ邋：邋ｙ邋１逦邋Ｒｘ逡逑（１）邋ＳＩＳＯ（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｉｎｐｕｔ邋Ｓｉｎｇｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）逦（２）邋ＭＩＳＯ（Ｍｕｉｔｉｐｉｅ－ｉｎｐｕｔ邋Ｓｉｉｉｇｌｅ－Ｏｕｌｐｕｔ）逡逑逦Ｙ邋Ｔ邋，逦邋逦，邋Ｔ邋Ｔ邋，逦逡逑Ｔｘ邋逦邋ｙ邋？＂邋Ｒｘ逦Ｔｘ邋：邋ｙ邋了；邋Ｒｘ逡逑（３）邋ＳＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｉｎｐ？ｔ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）逦（４）邋ＭＩＭＯ0＾４ｕｌｔｉｐ］ｅ－Ｉｎｐｕｔ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）逡逑图２－１天线配置及命名方式逡逑ＭＩＭＯ研宄发展经过了从单用户ＭＩＭＯ系统到多用户ＭＩＭＯ系统，再到多逡逑小区ＭＩＭＯ系统的历程Ｍ。单用户ＭＩＭＯ典型技术主要有两种，一种是为了获逡逑取高频谱效率的空分复用系统

空间分集,空时编码,空间复用

逦Ｓ匕ａｃｅ邋ｊｉｍｅ逡逑ｄｅｃｏｄｅｒ逡逑图２－２空间分集ＭＩＭＯ系统逡逑空间分集ＭＩＭＯ系统如图２－２所示，在经历某种形式的空时编码（ＳＴＣ，逡逑ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ邋ｃｏｄｉｎｇ）之前，通常使用传统的纠错编码和调制技术对信息比特进行逡逑编码和调制。在接收器处，执行空时解码，然后进行解调和错误解码。逡逑逦邋￣￣逦Ｊ——ｎ逦逡逑Ｉｎｆｏ邋ｂｉｔｓ逦＊■邋Ｍｏｄ逡逑逦Ｅｎｃｏｄｅｒ邋逦＾邋Ｓ／Ｐ邋？逦－逦？逡逑：逦：邋ｙ．逡逑ｚ逡逑逦邋＿＿逦逦邋ｓａ邋逦邋Ｔ逡逑Ｄｅｃｏｄｅｄ逦，——Ｄｅｍｏｎｄ邋＊逦邋」逡逑ｂｉｔｓ逦ＳＭ逡逑—逦Ｄｅｃｏｄｅｒ邋（邋叫邋Ｐ／Ｓ邋：逦：逦ｄｅｃｏｄｅｒ邋Ｖ邋▲逡逑逦ＳＮｔ逡逑图２－３空间复用ＭＩＭＯ系统逡逑空间复用ＭＩＭＯ系统结构如图２－３所示，信息错误编码比特通过串并转换逡逑器，各个输出流通过单独的天线进行调制。在接收器处，每个天线接收由来自所逡逑有发射天线的信号之和组成的信号；因此，有必要在解调它们之前剥离每个发送逡逑８逡逑

空间复用,MIMO系统

术ｍｐ２］或分布式系统［３３］等技术来增强系统性能。逡逑在发射器和接收器上配备多根天线并通过不同角度方向等方式发送信号多逡逑个副本来获取增益的方式称之为口空间分集技术；以提高系统容量为目的，在不逡逑同发送天线上发送多种独立的子数据流方式称为空间复用技术［３４１。逡逑Ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ逡逑一＊．逦ｅｎｃｏｄｅｒ逡逑？邋逦邋—邋１邋．邋１逡逑Ｉｎｆｏ邋ｂｉｔｓ逦＊■邋Ｍｏｄ逡逑逦？邋Ｅｎｃ0ｕ６ｒ邋逦？邋Ｓ／Ｐ邋？逦？逦一一？？逡逑：逦：逦ｊ，，逡逑逦邋逦逦＊？邋Ｍｏｄ邋逦逡逑Ｄｅｃｏｄｅｄ逡逑（逦－邋Ｄｅｃｏｄｅｒ邋４逦Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ邋－逦Ｓ匕ａｃｅ邋ｊｉｍｅ逡逑ｄｅｃｏｄｅｒ逡逑图２－２空间分集ＭＩＭＯ系统逡逑空间分集ＭＩＭＯ系统如图２－２所示，在经历某种形式的空时编码（ＳＴＣ，逡逑ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ邋ｃｏｄｉｎｇ）之前，通常使用传统的纠错编码和调制技术对信息比特进行逡逑编码和调制。在接收器处，执行空时解码，然后进行解调和错误解码。逡逑逦邋￣￣——

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