大規(guī)模MIMO與軌道角動(dòng)量無(wú)線傳輸技術(shù)研究.pdf

1、隨著第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G,4th generation）大規(guī)模商用以及移動(dòng)通信終端數(shù)量爆炸式增長(zhǎng)，在下一個(gè)十年，無(wú)線流量預(yù)計(jì)將會(huì)增長(zhǎng)1000倍。這對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)通信技術(shù)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO,multiple-input multiple-output）技術(shù)能顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在實(shí)際布設(shè)中，大規(guī)模MIMO基站端的上百根天線很可能會(huì)面臨天線陣列面積受限，天線之間非常

2、接近，以及布設(shè)環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致的天線間距不規(guī)則情況。此時(shí)天線之間的互耦效應(yīng)和信道空間相關(guān)性對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的影響將不可忽略，并且大規(guī)模MIMO系統(tǒng)天線后端如果采用大量射頻通道，會(huì)造成巨大的能耗與硬件復(fù)雜度，降低射頻通道系統(tǒng)的能耗與硬件復(fù)雜度具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。另一方面，軌道角動(dòng)量（OAM,orbital angular momentum）技術(shù)能為無(wú)線通信帶來(lái)一種新的傳輸自由度，具有極大提升無(wú)線通信系統(tǒng)容量的潛力。但如何在毫米波/微波頻段利用OA

3、M技術(shù)提高無(wú)線通信系統(tǒng)容量，仍然沒(méi)有被充分的研究。基于此，本文將對(duì)實(shí)際布設(shè)場(chǎng)景中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能展開(kāi)研究，進(jìn)一步研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化問(wèn)題，以及OAM技術(shù)在中的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　第一，針對(duì)配備矩形天線陣列的單小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究了考慮互耦效應(yīng)時(shí)系統(tǒng)的可達(dá)速率性能?？紤]到天線間的互耦效應(yīng)，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)中上行鏈路基站端接收信號(hào)進(jìn)行建模。考慮基站端采用最大比合并（MRC,m

4、aximum ratio combining）條件下，推導(dǎo)了基于互耦效應(yīng)的單小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行可達(dá)速率下界解析表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值仿真，研究了實(shí)際場(chǎng)景中天線個(gè)數(shù)和天線間距對(duì)上行可達(dá)速率的影響。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)天線陣列面積受限時(shí)，系統(tǒng)上行可達(dá)速率隨著天線個(gè)數(shù)的增大而增大。當(dāng)天線間距較小或用戶數(shù)較大時(shí)，互耦效應(yīng)會(huì)造成上行可達(dá)速率的顯著降低。
　　第二，針對(duì)實(shí)際布設(shè)環(huán)境中，基站端天線陣列內(nèi)天線間距不規(guī)則的單小區(qū)多用戶大規(guī)模MI

5、MO系統(tǒng)，研究了考慮天線間互耦效應(yīng)和天線陣列的不規(guī)則性時(shí)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。首先基于不規(guī)則陣列中天線的分布特性，對(duì)天線間的互耦效應(yīng)和陣列導(dǎo)向矩陣進(jìn)行建模。根據(jù)互耦效應(yīng)模型和陣列導(dǎo)向矩陣模型，定義了信道矩陣互相關(guān)系數(shù)以及遍歷接收增益，以分析互耦效應(yīng)對(duì)不規(guī)則天線陣列的影響?；谛诺阑ハ嚓P(guān)矩陣特征值的分布模型，通過(guò)仿真結(jié)果指出當(dāng)陣列面積小于某一閾值時(shí)，陣列不規(guī)則性可以減小信道的相關(guān)性；當(dāng)不規(guī)則陣列面積受限時(shí)，信道遍歷接收增益相對(duì)天線個(gè)數(shù)存在一

6、個(gè)極大值。當(dāng)基站端采用迫零預(yù)編碼時(shí)，推導(dǎo)了上行可達(dá)速率下界、誤碼率以及中斷概率的解析表達(dá)式以及漸進(jìn)表達(dá)式。對(duì)推導(dǎo)結(jié)果的數(shù)值仿真結(jié)果顯示，互耦效應(yīng)會(huì)顯著降低系統(tǒng)性能，同時(shí)推導(dǎo)結(jié)果與系統(tǒng)蒙特卡洛仿真結(jié)果有較好吻合。當(dāng)天線數(shù)大于某個(gè)閾值時(shí)，配備不規(guī)則陣列的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行可達(dá)速率大于配備規(guī)則陣列的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行可達(dá)速率。
　　第三，對(duì)于采用混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究了實(shí)際硬件能耗及成本下的基站射頻系統(tǒng)能效優(yōu)化

7、方案?；诖笠?guī)模MIMO系統(tǒng)能耗模型和實(shí)際系統(tǒng)的約束條件，提出了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)射頻能效模型。通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化射頻預(yù)編碼和基帶預(yù)編碼，將不能求得全局最優(yōu)解的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為局部最優(yōu)解的求解問(wèn)題，得到使射頻能效達(dá)到局部最優(yōu)的混合預(yù)編碼矩陣和射頻通道數(shù)，并提出了能效優(yōu)化混合預(yù)編碼算法。為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本及復(fù)雜度，提出了最小射頻通道數(shù)的能效優(yōu)化混合預(yù)編碼算法。推導(dǎo)了當(dāng)射頻通道數(shù)最小時(shí)，使基站端能效最優(yōu)的天線數(shù)和用戶數(shù)，并據(jù)此提出了關(guān)鍵天線數(shù)搜

8、索算法和用戶設(shè)備數(shù)優(yōu)化算法。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，提出的能效優(yōu)化混合預(yù)編碼算法和最小射頻通道數(shù)的能效優(yōu)化混合預(yù)編碼算法，射頻系統(tǒng)能效最大值相比傳統(tǒng)迫零預(yù)編碼分別提升120％和71%，能有效提升基站端能效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，提出的最小射頻通道數(shù)的能效優(yōu)化混合預(yù)編碼算法相比傳統(tǒng)迫零預(yù)編碼算法，在傳輸速率100Mbps時(shí)發(fā)射功率最大節(jié)省46.1%，平均節(jié)省23.4%；60Mbps時(shí)發(fā)射功率最大節(jié)省48.3%，平均節(jié)省27.1%。
　　第四，研究

9、了OAM技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了軌道角動(dòng)量空間調(diào)制（OAM-SM,orbital angular momentum spatial modulation）方案?；贠AM信號(hào)的傳輸特點(diǎn)和空間強(qiáng)度分布特性，設(shè)計(jì)了OAM-SM系統(tǒng)收發(fā)端結(jié)構(gòu)和調(diào)制解調(diào)方式，并對(duì)OAM-SM系統(tǒng)中的OAM無(wú)線信道進(jìn)行了建模。根據(jù)建立的系統(tǒng)模型，推導(dǎo)了OAM-SM系統(tǒng)的容量、平均誤比特率和能效的表達(dá)式。數(shù)值仿真顯示，OAM-SM系統(tǒng)提升了無(wú)線通信系統(tǒng)容

10、量，與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO系統(tǒng)相比，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)OAM-SM系統(tǒng)能達(dá)到更高的傳輸速率，并且保持較好的平均誤比特率。當(dāng)總發(fā)射功率相等時(shí)，OAM-SM系統(tǒng)的能效遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)能效。
　　綜上所述，本論文對(duì)于實(shí)際部署環(huán)境中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化，以及OAM技術(shù)在無(wú)線通信中的應(yīng)用，做出了創(chuàng)新性的研究。研究成果對(duì)于大規(guī)模MIMO天線陣列的實(shí)際部署具有一定指導(dǎo)意義，有助于降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)復(fù)雜度