5G毫米波大规模阵列信道参数提取与特性分析

发布时间：2020-09-07 09:11

　　随着无线接入设备数目的急剧增长以及人们对于高速率、高质量通信的要求提高,关于第五代(5th Generation,5G)移动通信系统的研究正在如火如荼的展开。为了有效解决或突破目前通信系统面临的瓶颈和挑战,需要合理规划网络架构,并使用一些先进技术来达到5G的愿景和要求。毫米波和大规模多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)作为5G的两种关键技术,它们的应用对于解决现有频谱资源紧张和提高信道容量、频谱效率、能量效率等问题有重要意义。毫米波通信可以借助于大规模MIMO补偿路径衰减,大规模MIMO可以利用毫米波波长较短的特点极大减小阵列尺寸,二者结合相互补充,极大突出各自的优势,从而满足5G通信系统的部分需求。但这些技术的使用会给无线信道带来不同于传统信道的传输特性,为了更好的了解毫米波大规模MIMO无线信道中信号的传输特性,进而对通信系统进行合理设计和优化,则需要借助于大量不同场景、天线配置和工作频段等的信道测量。此外,由于阵列尺寸的增大以及更高路径分辨率的要求,需要使用高分辨率、低复杂度的处理算法对获取的测量数据进行分析。因此,考虑到目前仍然缺少毫米波大规模MIMO信道测量和特性分析工作,以及现有信道参数估计算法所面临的精确度和复杂度的问题亟需解决,本博士课题将致力于多种信号参数估计算法以及毫米波大规模MIMO信道特性分析的研究。论文首先分析不同类别阵列信号处理算法的工作原理及优缺点,并就目前各种算法应用于实测信道测量数据处理的情况进行总结。在此基础上选取参数估计算法,并首次将这些算法均扩展至应用于水平面阵的情况,提出了新颖的改进SI-JADE和三维FD-SAGE算法。论文将算法分为两类,第一类算法可以对水平到达角(Azimuth Angle of Arrival,AAoA)和俯仰到达角(Elevation AoA,EAoA)进行估计;第二类算法引入了路径时延信息,可以实现AAoA、EAoA和时延的联合估计。通过仿真分析发现,在第一类算法中,扩展的MUSIC算法在一定天线配置和信道状况时的估计性能以及路径分辨力优于扩展的LS-ESPRIT和Unitary ESPRIT算法,但由于角度搜索过程导致复杂度较高。扩展的Unitary ESPRIT算法的仿真性能与LS-ESPRIT算法接近,但它将复数运算转换成实值运算,因此复杂度更低。在第二类算法中,除了将JADEMUSIC、JADEESPRIT、SI-JADE和SAGE算法进行扩展,我们提出了新颖的改进SI-JADE和三维FD-SAGE算法,在保证精确度的前提下进一步降低算法的复杂度。并且,第二类算法由于考虑了时延信息,所以能够分辨出更多的路径。改进SI-JADE算法在估计性能和稳定性方面均优于其余几种基于JADE思想的算法。SAGE算法和三维FD-SAGE算法具有最精确的估计性能,但相比于SAGE算法,三维FD-SAGE算法能够区分更多的相近路径。将以上两类算法分别应用于60 GHz室内信道非视距场景的测量数据分析,我们进一步比较了不同算法估计得到的路径不同,并参照测量环境和配置判断估计结果的准确性。结果发现,在三维空间角度估计时,MUSIC算法仅能够估计得到路径簇的角度范围,其他两种算法估计的结果存在很多干扰路径。在三维空间角度和时延联合估计中,SAGE、三维FD-SAGE以及改进SI-JADE算法均可以得到较多的相近路径信息,能够应用于实测信道测量数据处理。但需要注意的,随着阵列尺寸的增大和频点的增加,以上除SAGE和三维FD-SAGE算法外的算法,它们的复杂度也会随着矩阵维度的增大而急剧增大。针对毫米波大规模MIMO信道测量,我们对测量时的一些场景和设备配置进行归类,比较现有信道测量方法,包括适用场景及其优缺点。对已开展的毫米波、大规模MIMO,以及毫米波与大规模阵列结合的信道测量和特性分析活动分别进行总结,从而认识现有测量工作和特性分析的不足。基于此,我们开展了在不同毫米波频段使用大规模阵列的室内信道测量工作。论文介绍了已搭建的国际领先的测量平台和已开展的两组测量工作:60 GHz大规模信道测量以及在16、28和38 GHz频段使用不同阵元数目的大规模阵列信道测量。通过使用提出的三维FD-SAGE算法提取60 GHz信道的路径参数,我们发现到达接收端的路径成簇存在。另外,论文着重分析了毫米波使用大规模阵列信道的传输特性,如超高的时延分辨率、球面波特性、空间和频率的非平稳特性以及簇的生灭过程等。最后,我们比较了在相同频段时沿阵列不同方向上空间互相关性的变化,以及不同频段时在沿阵列某一方向上的空间互相关性的不同。结果发现,在毫米波大规模阵列信道中,除了测量环境外,发送与接收端阵列内天线位置的相对变化,以及测量的中心频率均对空间互相关性有很大影响。那么,在接下来的信道建模乃至于无线网络的大规模天线布置上都要考虑这一点。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5

【参考文献】