5G移動(dòng)通信中二維天線陣的互耦自校正及MIMO系統(tǒng)容量研究.pdf

1、多天線技術(shù)，在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?、擴(kuò)展覆蓋以及增加系統(tǒng)容量等方面發(fā)揮著重要作用。目前傳統(tǒng)的基于水平維度的多天線技術(shù)已趨于成熟，新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和天線技術(shù)發(fā)展正推動(dòng)多天線技術(shù)向著更高維度擴(kuò)展。正是在這種背景下，基于二維平面陣列架構(gòu)的全維度多輸入多輸出(Full Dimension Multiple-Input Multiple-Output，F(xiàn)D-MIMO)技術(shù)近年來(lái)受到了業(yè)界的關(guān)注。FD-MIMO采用了二維有源天線陣列，可以充分利

2、用豎直維的空間自由度，對(duì)系統(tǒng)覆蓋和容量的提升均有可觀的增益，并且隨著有源天線技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模陣列的實(shí)現(xiàn)成為可能，因此被列為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　盡管FD-MIMO技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，但由于基站側(cè)可利用空間的限制，在實(shí)際中部署大規(guī)模天線將面臨著一些不可忽視的問(wèn)題。一方面，在實(shí)際天線陣中存在著固有的互耦效應(yīng)。對(duì)于二維平面天線陣而言，在有限空間中布陣時(shí)，互耦效應(yīng)會(huì)更加顯著。若不對(duì)其加以考慮的話，現(xiàn)有多天線信號(hào)處

3、理技術(shù)的實(shí)用性能將大大惡化。另一方面，當(dāng)大規(guī)模數(shù)量的天線部署在基站側(cè)有限的空間中，將勢(shì)必增加子信道間的空間相關(guān)性，從而弱化多天線技術(shù)在理論上的分集增益。上述問(wèn)題的存在不僅對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)的魯棒性提出了更高的要求，同時(shí)也需要我們重新審視和評(píng)估FD-MIMO實(shí)際系統(tǒng)的性能及容量增益。
　　本文便是圍繞著上述問(wèn)題來(lái)開展研究的，論文的主要研究工作和成果如下：
　　1)針對(duì)存在互耦誤差時(shí)均勻平面天線陣的測(cè)向魯棒性問(wèn)題，本文提出了一種

4、基于秩損準(zhǔn)則的聯(lián)合二維方位盲估計(jì)和互耦自校正算法。在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步完善了平面陣中互耦效應(yīng)的建模工作。基于對(duì)互耦效應(yīng)的先驗(yàn)知識(shí)，提出的算法只需將受互耦擾動(dòng)的陣列響應(yīng)在變換域中重新排列，便可在后續(xù)處理中屏蔽掉互耦效應(yīng)的不利影響，避免了現(xiàn)有工作中存在的陣列孔徑損失問(wèn)題。在對(duì)重排后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，我們基于秩損準(zhǔn)則，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的估計(jì)步驟，使得方位搜索的降維操作得以實(shí)現(xiàn)，大大提高了計(jì)算效率。隨后，我們進(jìn)一步利用獲得的方位估計(jì)值

5、，構(gòu)造一個(gè)解耦合矩陣，通過(guò)對(duì)其特征分解便可從中估計(jì)出未知的互耦系數(shù)。仿真結(jié)果與分析表明，與已有的研究工作相比，我們提出的算法無(wú)論是在方位估計(jì)和校正精度上，還是在計(jì)算效率上都有著突出的優(yōu)勢(shì)。
　　2)在陣列面積受限的條件下，本文對(duì)FD-MIMO系統(tǒng)在不同信道模型下的傳播條件以及多用戶系統(tǒng)容量開展了深入的研究。本文首先基于三維空間衰落相關(guān)模型，考察了不同傳播環(huán)境下的信道特性，分別研究了在LOS（Line of Sight）和Krone

6、cker空間相關(guān)模型下信道的漸進(jìn)正交性問(wèn)題，并推導(dǎo)了LOS條件下信道向量?jī)?nèi)積的漸進(jìn)下限。研究結(jié)果表明，當(dāng)陣列面積受限時(shí)，以上兩種模型下的信道均不再是漸進(jìn)正交的。我們進(jìn)一步基于二維平面天線陣在發(fā)送模式下的互耦電路模型，對(duì)FD-MIMO系統(tǒng)下行鏈路的多用戶傳輸容量進(jìn)行了全面評(píng)估。結(jié)果表明，在陣列面積受限時(shí)，隨著天線總數(shù)的增加，系統(tǒng)容量在不同的傳播條件下最終都將趨于飽和，而互耦效應(yīng)在其中所表現(xiàn)出的作用將取決于具體的傳播環(huán)境以及陣列配置，在緊湊