5G移動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，在提高數據傳輸的有效性和可靠性、擴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已趨于成熟，新的網絡架構和天線技術發(fā)展正推動多天線技術向著更高維度擴展。正是在這種背景下，基于二維平面陣列架構的全維度多輸入多輸出(Full Dimension Multiple-Input Multiple-Output，FD-MIMO)技術近年來受到了業(yè)界的關注。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的發(fā)展使得大規(guī)模陣列的實現成為可能，因此被列為下一代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。
　　盡管FD-MIMO技術有著廣闊的發(fā)展前景，但由于基站側可利用空間的限制，在實際中部署大規(guī)模天線將面臨著一些不可忽視的問題。一方面，在實際天線陣中存在著固有的互耦效應。對于二維平面天線陣而言，在有限空間中布陣時，互耦效應會更加顯著。若不對其加以考慮的話，現有多天線信號處

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

4、基于秩損準則的聯合二維方位盲估計和互耦自校正算法。在前人研究工作的基礎上，本文進一步完善了平面陣中互耦效應的建模工作?；趯ヱ钚南闰炛R，提出的算法只需將受互耦擾動的陣列響應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的不利影響，避免了現有工作中存在的陣列孔徑損失問題。在對重排后的數據進行處理時，我們基于秩損準則，通過巧妙設計的估計步驟，使得方位搜索的降維操作得以實現，大大提高了計算效率。隨后，我們進一步利用獲得的方位估計值

5、，構造一個解耦合矩陣，通過對其特征分解便可從中估計出未知的互耦系數。仿真結果與分析表明，與已有的研究工作相比，我們提出的算法無論是在方位估計和校正精度上，還是在計算效率上都有著突出的優(yōu)勢。
　　2)在陣列面積受限的條件下，本文對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空間相關模型下信道的漸進正交性問題，并推導了LOS條件下信道向量內積的漸進下限。研究結果表明，當陣列面積受限時，以上兩種模型下的信道均不再是漸進正交的。我們進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FD-MIMO系統(tǒng)下行鏈路的多用戶傳輸容量進行了全面評估。結果表明，在陣列面積受限時，隨著天線總數的增加，系統(tǒng)容量在不同的傳播條件下最終都將趨于飽和，而互耦效應在其中所表現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