面向5G移动通信系统的大规模MIMO无线传输研究及优化设计
发布时间：2021-03-29 19:51
随着智能终端和物联网业务的快速发展,海量的连接和大视频流量爆炸式增长,第五代（5G）移动通信系统具有的大带宽、低时延、广连接等特性,为高清视频、AR/VR为代表的特色业务和垂直行业应用提供了技术能力保障,成为移动通信甚至信息化产业可持续发展的重要方向。从无线空中接口技术来看,相对于4G,移动通信基站配置几十根甚至上百根天线的大规模MIMO阵列,通过控制天线阵子的发射信号的幅度和相位,进行多个波束定向赋型,增强广域覆盖、深度覆盖、高楼覆盖等场景,提升5G网络峰值速率、容量和频谱效率。然而在实际应用和部署中,大规模MIMO技术仍存在一些有待解决的问题,如大规模MIMO预编码设计、系统容量极限性能分析、三维天线阵列设计、多小区大规模MIMO系统信道信息获取以及无线传输优化。因此,本论文开展面向5G移动通信系统的大规模MIMO无线通信理论和传输优化设计的研究具有重要意义,具体研究内容如下:首先,当基站端配置已知理想的信道状态信息下,系统地研究了最大比传输、迫零检测和最小均方误差三种不同的线性预编码方案,分别推导出多用户集中式大规模MIMO系统频谱效率的精确表达式。基于所得到的理论解析结果,对大...
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
5G移动通信系统定义三大应用场景及关键技术指标
武汉大学博士论文1.1.2大规模MIMO技术2010年，贝尔实验室的ThomasL.Marzetta教授提出了大规模MIMO的概念[30]。大规模MIMO技术，通过在基站端集中配置几十根甚至上百根天线如（64/128/256等），深度挖掘空间维度资源，使得多个用户可以在同一时频资源上与基站同时进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高系统频谱效率和功率效率。从5G无线空中接口技术来看，相对于4G的单/双极化天线及4/8通道天线，大规模MIMO技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域等）提升服务质量、频谱和能量利用效率[31]。图1.2:传统MIMO天线波束与大规模MIMO天线波束对比图（a）传统MIMO的固定宽波束（b）大规模MIMO的动态窄波束图1.2描绘了传统MIMO天线波束与大规模MIMO天线波束，通过对比可以看出，面向5G的大规模MIMO天线技术比传统MIMO系统有无法比拟的物理特性和性能优势[32]，主要有表现在以下三个方面：(1)大规模MIMO技术增加了系统吞吐量。通过多个天线阵子形成了多个相对独立的波束，空分复用，不同用户之间的信道正交特性，16-24个并行波束数据流，从而大幅提升系统总吞吐量；(2)大规模MIMO技术提升了系统空间分辨率。多天线阵列同时在水平和垂直方向波束赋型，可有效提升水平和垂直覆盖的能力。尤其在高楼覆盖、无人机空域覆盖，空间分辨率得到了明显提升。(3)大规模MIMO技术提高了系统覆盖增益。对处于小区边缘的用户，利用信道估计技术自动地调整天线阵的能量和相位，通过业务信道的波束赋型，将波束精准地指向边缘用户和特定区域，大幅降低邻区干扰和小区内干扰，增强信道质量，进一步延伸了小区覆盖，提升了边缘用户的接入速率。-4-
目前在基站部署大规模天线元素主要有两种切实可行方案。第一种解决方案是使用高频段毫米波载波频率(30GHz及以上),主要因为毫米波工作频段为30-300GHz具有丰富的频谱资源,其工作波长非常小(0.01-0.1厘米)[55]。根据天线理论,毫米波的天线尺寸非常微小,毫米波凭借其较短的波长,能够有效缩小天线元素间距,可以将大规模天线元素集中封装在非常小的物理空间内,在配置同等数量天线的条件下,有效地减小了天线尺寸,这使得在紧凑的物理空间内封装更多的天线元件成为可能,便于系统小型化和系统集成。除此之外,毫米波还具有抗干扰能力强安全性高,非授权频谱范围广等优势。相比于微波频段,虽然毫米波频率的云衰、雨衰、以及各种建筑材料阻挡吸收作用更加明显,导致信号在传播过程中路径损耗非常大[56,57]。大规模MIMO技术的波束形成和阵列增益能够有效补偿毫米波巨大的路径衰落,提高网络覆盖范围。因此,毫米波与形成与大规模MIMO技术优势互补和完美结合,为大规模MIMO技术的发展提供了必要条件。文献[58]提出了将毫米波技术与大规模MIMO技术相结合,减轻了阵列尺寸的限制,显著提高了系统频谱效率。文献[59]对信号在毫米波频段进行了测试,测量结果表明无线信号在自由空间传播时路径损耗大穿透力差,导致信号传输衰减大。由于毫米波频段的似光传播特性,视距传播在毫米波通信中起着主导作用。作者M.Samimi、S.Nie在文献[60,61]从毫米波MIMO信道新特性和空间统计模型入手,展开用户热点区域覆盖场景下毫米波大规模MIMO无线信道特征与容量分析、波束训练与跟踪理论方法以及空间复用传输机制与优化理论方法。结果表明毫米波大规模MIMO系统能够使无线传输速率、系统容量、功率效率和时延等指标较现有移动通信系统提高至少一到两个量级。朝着这个方向,第二种有效解决方案是使用?三维天线阵列,因为其天线阵列具有几点优势[62]:(a)在基站部署裊?更多的天线元件;(b)实现更多定向传输即窄波束辐射模式;(c)提供更高的天线增益以克服路径损耗。例如,作者A.Forenza在文献[63]研究了均匀平面阵列(UPA)、均匀平面阵列(ULA)和均匀平面阵列(UCA)等几种天线阵结构对系统可达和速率和空间衰落相关性的影响,指出天线阵结构对MIMO性能有重要影响。由于大规模毫米波MIMO是一项新兴的技术,对平面天线阵不同几何形状的进一步研究具有特殊的意义。比如,2012年国家重大专项启动了针对64天线的三维大规模MIMO技术的研究项目立工作,采用大量收发信机(TRX)与多个天线阵列,可以将波束赋形与用户间的空间复用相结合,大力提升区域频谱效率。另外,2014年863计划启动了针对128~256天线的毫米波大规模MIMO技术的立项工作,并将在后续阶段中持续推动该技术的研究、验证与标准化工作。毫米波大规模MIMO作为5G的一个候选技术,借助高频段毫米波频段可以有效减少天线间距在有限物理空间布置更多的天线数量,通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性[64]。学术界和工业界对集中式大规模MIMO系统的研究主要集中在这几个方面,比如实际信道模型、信道信息获取、无线传输方案以及线性预编码方案设计等,国内设备商和运营也展开了大规模天线样机的研发,大唐电信开展了三维大规模MIMO技术研究与验证方面的工作,其采用64通道的二维平面天线阵,拟开发8套系统支持16个天线单元的分布式天线和每1套支持128天线单元的集中式大规模。在毫米波大规模MIMO系统中,基站端可以配置不同的三维天线阵列,这样信号可以在水平和垂直方向进行动态调整[65]。因此,能量能够更加准确地服务指定用户,从而减少了小区间干扰,能够支持多个用户间的空间复用。而未来大规模MIMO系统的天线阵列部署方式有平面阵列、松散分布式阵列、L形阵列,球形阵列等[66],现有的信道估计算法对于其他的天线阵列未必会适用。所以,基于不同天线阵列结构的毫米波大规模MIMO系统亟待进一步研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Key techniques for 5G wireless communications:network architecture, physical layer,and MAC layer perspectives[J]. MA Zheng,ZHANG ZhengQuan,DING ZhiGuo,FAN PingZhi,LI HengChao. Science China（Information Sciences）. 2015(04)
[2]5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨. 中国科学:信息科学. 2014(05)
本文编号：3108097
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
5G移动通信系统定义三大应用场景及关键技术指标
武汉大学博士论文1.1.2大规模MIMO技术2010年，贝尔实验室的ThomasL.Marzetta教授提出了大规模MIMO的概念[30]。大规模MIMO技术，通过在基站端集中配置几十根甚至上百根天线如（64/128/256等），深度挖掘空间维度资源，使得多个用户可以在同一时频资源上与基站同时进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高系统频谱效率和功率效率。从5G无线空中接口技术来看，相对于4G的单/双极化天线及4/8通道天线，大规模MIMO技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域等）提升服务质量、频谱和能量利用效率[31]。图1.2:传统MIMO天线波束与大规模MIMO天线波束对比图（a）传统MIMO的固定宽波束（b）大规模MIMO的动态窄波束图1.2描绘了传统MIMO天线波束与大规模MIMO天线波束，通过对比可以看出，面向5G的大规模MIMO天线技术比传统MIMO系统有无法比拟的物理特性和性能优势[32]，主要有表现在以下三个方面：(1)大规模MIMO技术增加了系统吞吐量。通过多个天线阵子形成了多个相对独立的波束，空分复用，不同用户之间的信道正交特性，16-24个并行波束数据流，从而大幅提升系统总吞吐量；(2)大规模MIMO技术提升了系统空间分辨率。多天线阵列同时在水平和垂直方向波束赋型，可有效提升水平和垂直覆盖的能力。尤其在高楼覆盖、无人机空域覆盖，空间分辨率得到了明显提升。(3)大规模MIMO技术提高了系统覆盖增益。对处于小区边缘的用户，利用信道估计技术自动地调整天线阵的能量和相位，通过业务信道的波束赋型，将波束精准地指向边缘用户和特定区域，大幅降低邻区干扰和小区内干扰，增强信道质量，进一步延伸了小区覆盖，提升了边缘用户的接入速率。-4-
目前在基站部署大规模天线元素主要有两种切实可行方案。第一种解决方案是使用高频段毫米波载波频率(30GHz及以上),主要因为毫米波工作频段为30-300GHz具有丰富的频谱资源,其工作波长非常小(0.01-0.1厘米)[55]。根据天线理论,毫米波的天线尺寸非常微小,毫米波凭借其较短的波长,能够有效缩小天线元素间距,可以将大规模天线元素集中封装在非常小的物理空间内,在配置同等数量天线的条件下,有效地减小了天线尺寸,这使得在紧凑的物理空间内封装更多的天线元件成为可能,便于系统小型化和系统集成。除此之外,毫米波还具有抗干扰能力强安全性高,非授权频谱范围广等优势。相比于微波频段,虽然毫米波频率的云衰、雨衰、以及各种建筑材料阻挡吸收作用更加明显,导致信号在传播过程中路径损耗非常大[56,57]。大规模MIMO技术的波束形成和阵列增益能够有效补偿毫米波巨大的路径衰落,提高网络覆盖范围。因此,毫米波与形成与大规模MIMO技术优势互补和完美结合,为大规模MIMO技术的发展提供了必要条件。文献[58]提出了将毫米波技术与大规模MIMO技术相结合,减轻了阵列尺寸的限制,显著提高了系统频谱效率。文献[59]对信号在毫米波频段进行了测试,测量结果表明无线信号在自由空间传播时路径损耗大穿透力差,导致信号传输衰减大。由于毫米波频段的似光传播特性,视距传播在毫米波通信中起着主导作用。作者M.Samimi、S.Nie在文献[60,61]从毫米波MIMO信道新特性和空间统计模型入手,展开用户热点区域覆盖场景下毫米波大规模MIMO无线信道特征与容量分析、波束训练与跟踪理论方法以及空间复用传输机制与优化理论方法。结果表明毫米波大规模MIMO系统能够使无线传输速率、系统容量、功率效率和时延等指标较现有移动通信系统提高至少一到两个量级。朝着这个方向,第二种有效解决方案是使用?三维天线阵列,因为其天线阵列具有几点优势[62]:(a)在基站部署裊?更多的天线元件;(b)实现更多定向传输即窄波束辐射模式;(c)提供更高的天线增益以克服路径损耗。例如,作者A.Forenza在文献[63]研究了均匀平面阵列(UPA)、均匀平面阵列(ULA)和均匀平面阵列(UCA)等几种天线阵结构对系统可达和速率和空间衰落相关性的影响,指出天线阵结构对MIMO性能有重要影响。由于大规模毫米波MIMO是一项新兴的技术,对平面天线阵不同几何形状的进一步研究具有特殊的意义。比如,2012年国家重大专项启动了针对64天线的三维大规模MIMO技术的研究项目立工作,采用大量收发信机(TRX)与多个天线阵列,可以将波束赋形与用户间的空间复用相结合,大力提升区域频谱效率。另外,2014年863计划启动了针对128~256天线的毫米波大规模MIMO技术的立项工作,并将在后续阶段中持续推动该技术的研究、验证与标准化工作。毫米波大规模MIMO作为5G的一个候选技术,借助高频段毫米波频段可以有效减少天线间距在有限物理空间布置更多的天线数量,通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性[64]。学术界和工业界对集中式大规模MIMO系统的研究主要集中在这几个方面,比如实际信道模型、信道信息获取、无线传输方案以及线性预编码方案设计等,国内设备商和运营也展开了大规模天线样机的研发,大唐电信开展了三维大规模MIMO技术研究与验证方面的工作,其采用64通道的二维平面天线阵,拟开发8套系统支持16个天线单元的分布式天线和每1套支持128天线单元的集中式大规模。在毫米波大规模MIMO系统中,基站端可以配置不同的三维天线阵列,这样信号可以在水平和垂直方向进行动态调整[65]。因此,能量能够更加准确地服务指定用户,从而减少了小区间干扰,能够支持多个用户间的空间复用。而未来大规模MIMO系统的天线阵列部署方式有平面阵列、松散分布式阵列、L形阵列,球形阵列等[66],现有的信道估计算法对于其他的天线阵列未必会适用。所以,基于不同天线阵列结构的毫米波大规模MIMO系统亟待进一步研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Key techniques for 5G wireless communications:network architecture, physical layer,and MAC layer perspectives[J]. MA Zheng,ZHANG ZhengQuan,DING ZhiGuo,FAN PingZhi,LI HengChao. Science China（Information Sciences）. 2015(04)
[2]5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨. 中国科学:信息科学. 2014(05)
本文编号：3108097
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