大規(guī)模天線系統(tǒng)信道測量方法與空間相關(guān)性研究.pdf

1、無線移動通信的發(fā)展深刻改變了人們的工作與生活方式。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用不斷興起，無線流量呈現(xiàn)爆炸性增長，給第5代移動通信系統(tǒng)(5G)帶來巨大挑戰(zhàn)。作為5G的關(guān)鍵使能技術(shù)之一，大規(guī)模天線技術(shù)在基站側(cè)使用數(shù)十甚至上百根天線利用相同的時(shí)頻資源為多達(dá)數(shù)十個用戶提供服務(wù)，具有高頻譜效率、高能量效率和高可靠性等突出優(yōu)勢，能夠滿足未來高速移動通信需求。
　　無線信道特性對大規(guī)模天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能評估至關(guān)重要。信道估計(jì)、天線選擇和信道

2、狀態(tài)信息回傳等算法均可利用基站陣元信道相關(guān)性進(jìn)行優(yōu)化，而預(yù)編碼方案的復(fù)雜度與多用戶信道相關(guān)性直接相關(guān)。因此，大規(guī)模天線系統(tǒng)中陣元和用戶信道相關(guān)性研究具有重要意義。國內(nèi)外已在此方面做了大量研究工作，但是仍然存在以下局限:
　　1)在信道測量系統(tǒng)與場景方面，現(xiàn)有信道測量系統(tǒng)多采用商用信道測量儀器，或者利用信號發(fā)生器、信號分析儀及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等多臺商用設(shè)備搭建測量系統(tǒng)，高昂的成本限制了信道測量活動的廣泛開展;同時(shí)，現(xiàn)有信道測量場景多集

3、中于室外，室內(nèi)熱點(diǎn)場景尚未得到充分研究。
　　2)在陣列維度上信道相關(guān)衰落特性研究方面，多數(shù)優(yōu)化算法仍然使用傳統(tǒng)陣元相關(guān)模型，它們基于平面波假設(shè)獲得，在大規(guī)模天線中的適用性需要更多實(shí)測驗(yàn)證;此外，視通場景中大規(guī)模天線陣列維度上信道空間連續(xù)性和隨機(jī)性需要進(jìn)一步建模分析。
　　3)在多用戶信道相關(guān)性研究方面，信道矩陣特征值擴(kuò)展和條件數(shù)等表征參數(shù)存在一定局限性;同時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)與多用戶信道漸近正交性的關(guān)系缺乏數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量描述

4、。
　　本文綜合利用實(shí)際信道測量、系統(tǒng)仿真和理論分析建模等方法，研究實(shí)際無線場景中大規(guī)模天線系統(tǒng)的信道空間相關(guān)性。論文主要包括以下內(nèi)容與貢獻(xiàn):
　　1)基于多子頻段切換的寬帶無線信道測量方案設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、校準(zhǔn)與性能驗(yàn)證。本文提出的寬帶信道測量方法在一個測量周期內(nèi)連續(xù)探測多個相鄰子頻段從而成倍擴(kuò)展測量帶寬。此方法相比逐點(diǎn)掃頻可以顯著降低測量時(shí)間，對于低速移動信道尤為適用。同時(shí)，此方法無需使用高速寬帶硬件，成本與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低。測

5、量系統(tǒng)基于軟件無線電平臺實(shí)現(xiàn)，利用本文提出的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，可以有效消除系統(tǒng)硬件的影響。通過多徑信道仿真、有線信道和無線信道實(shí)測，驗(yàn)證了此方法的有效性。
　　2)大規(guī)模天線陣列維度上信道衰落的自回歸滑動平均(Auto-Regres sive Moving Average，ARMA)建模，并利用萊斯K因子的ARMA模型改進(jìn)了視通場景的相關(guān)信道模型。本文將線性大規(guī)模天線陣列中不同陣元的接收信號功率和萊斯K因子變化序列作為分析對象，使用A

6、RMA模型分別進(jìn)行建模。利用K因子的ARMA模型，提出了基于變化K因子的相關(guān)信道模型，以反映陣列維度上直達(dá)徑與反散射徑相對強(qiáng)度變化的空間連續(xù)性與隨機(jī)性。
　　3)大規(guī)模天線陣列中陣元信道相關(guān)系數(shù)分析與擬合建模。利用不同場景的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析多種現(xiàn)有陣元相關(guān)模型在不同空間維度、不同房間尺寸條件下的適用性。垂直面內(nèi)，由于天線增益方向性與環(huán)境的影響，陣元相關(guān)系數(shù)隨陣元間隔增加呈現(xiàn)明顯的振蕩衰減。針對此特殊規(guī)律，本文提出了一種負(fù)指數(shù)衰減余弦