5G大规模天线系统研究现状及发展趋势

针对第5代移动通信的关键技术-大规模天线技术,介绍了国内外、研究机构的研究现状。总结了贝尔实验室、美国莱斯大学、大唐电信、华为、中兴、54所等国内外多家单位的研究成果。在此基础上,分析了5G大规模天线系统的发展趋势,提出了有源集成化天线是5G大规模天线系统的必然选择,并分析了大规模有源集成化天线在第五代移动通信系统中遇到的挑战。

室内大规模天线系统无线信道空间相关性分析

无线信道空间相关性直接影响大规模天线系统的实际性能.基于大型报告厅内的无线信道测量数据,分析了基站天线阵列中不同阵元之间及不同用户之间的无线信道空间相关性.首先对阵元相关系数随阵元间隔的变化进行拟合建模分析,然后研究多用户信道相关性的影响因素.提出了一种负指数衰减余弦模型对其拟合建模.研究结果表明:在水平面内,阵元相关系数随阵元间隔增加近似为负指数衰减波动较小;在垂直面内,阵元相关系数随阵元间隔增加而呈现振荡衰减,基站天线数量增加对多用户信道相关性有明显改善,基站天线数量超过30以后,改善幅度变小但是仍有较明显提升.此外,不同用户之间的大尺度衰落会降低多用户信道正交性,且水平面内用户间大尺度衰落比垂直面内严重.但是基站阵列中不同阵元间的大尺度衰落对多用户信道正交性的影响十分微弱.

大规模天线系统中低复杂度的解码方法研究

针对传统大规模天线系统中线性信道估计和线性解码计算复杂度较高的问题,根据系统特性提出2种低复杂度的解码方法。利用系统中信道的渐近正交性设计快速解码方法,避免求解信道矩阵的逆矩阵。结合增加基站天线数可优化用户信道的特点设计简单算子解码方法,实现直接解码而无需估计信道。仿真结果表明,2种解码方法均能在保证系统性能的同时有效降低计算复杂度。

互耦效应对超大规模MIMO天线系统信道容量的影响

超大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天线系统是6G的关键技术,由于天线单元间距很小,多个天线单元的互耦效应是影响其性能的因素之一。建立了基于石墨烯基贴片天线阵列-子阵列架构的超大规模MIMO天线系统,推导出了互耦效应影响下的信道容量表达式。通过电磁场数值计算仿真了超大规模MIMO天线系统的信道容量,结果表明,在不考虑互耦效应时,超大规模MIMO天线系统的信道容量与子阵列天线单元数、子阵列数以及发射机功率正相关;在互耦效应的影响下,系统的信道容量降低,互耦效应的强弱与子阵列天线单元的间距有关,天线单元间间距越小,相邻天线间的互耦效应越明显,系统的信道容量越小。该仿真结果可以为6G中超大规模MIMO天线系统的设计提供参考。

大规模多天线系统的技术展望

介绍多天线技术在3GPP中的标准演进,并分析当前3GPP标准中多天线技术的制约因素,结合当前无线通信系统的产业化发展现状,对于未来无线通信研究热点之一的大规模多天线技术进行探讨。

高速铁路时变信道下大规模多天线系统基于权重预处理的天线选择算法

当未来第5代移动通信系统(5G)的大规模多天线(LSMA)系统应用在高速铁路车地通信基站时,天线沿铁轨平行布置,基站根据列车位置选择最近的若干根道旁天线组成备选集进行信道估计,并将有限个射频链分配给其中信道最好的若干根天线组成的优选集。由于信道的时变和强视距特性,不同天线的信道信息发生不同程度的延迟,传统的从信道估计信息中挑选增益最大天线的选择算法频谱效率不高。本文提出一种基于权重预处理的天线选择算法,只需要对估计的信道增益进行权重预处理就能有效地提高天线选择算法的平均频谱效率。在本文提出的方案中,首先推导了高铁时变信道下天线选择算法的平均频谱效率性能上限的理论值,然后根据同一天线不同时刻信道状态间的时间相关性,对信道增益进行权重预处理,再从处理后的备选集中选择优选集。分析结果表明,经过权重预处理的算法平均频谱效率在列车高速运行时稳定高于不进行预处理的传统天线选择算法的频谱效率,在高信噪比情况下,能提高0.4bit/s/Hz。

基于容量相关字典的5G毫米波大规模天线单元选择算法

针对传统天线选择算法在大规模天线阵列应用中的局限性,该文在多用户场景下提出一种基于容量相关字典的5G毫米波大规模天线随机选择算法。该算法通过特定环境中不同位置处的多用户与基站的交互,快速提取大规模天线单元间容量的强弱相关特性,并建立相关字典;在天线选择时,先搜索最优信道容量单元连接射频链路,再随机选择相关字典中与最优单元容量相关大的天线单元接入其余射频链路。该方法大大降低了传统天线选择算法应用的复杂度,只与环境有关且较为稳定,当新用户加入时也无需重新建立相关字典。该方法通过损失一部分性能来换取较低的复杂度,适用于天线单元多的大规模天线阵列。此外,该文在室内开放式办公室开展了26 GHz视距和非视距下的大规模天线信道测试,分析了不同场景下的天线阵列行间单元间的容量相关性,并对该算法的系统信道容量性能进行了实验验证。

静态分簇下的大规模分布式天线系统用户调度算法

在大规模分布式天线系统中,静态分簇和用户调度带来的簇间干扰问题会导致系统和速率下降。针对这个问题,提出了一种两阶段贪婪用户调度算法。首先,每个簇内并行实施贪婪用户调度;然后,从全局上再次利用贪婪算法来剔除簇间干扰较大、服务质量较差的用户,使得系统和速率进一步提升。仿真结果表明,随着不同系统参数的改变,两阶段贪婪用户调度算法可有效提高系统和速率。

大规模分布式天线系统半动态双向分簇算法

针对现有分簇算法大多假设在理想条件下利用瞬时信道状态信息(CSI),但在回程链路容量受限的情况下,难以共享所有用户的瞬时CSI的问题,提出了一种半动态双向选择分簇算法。该算法利用长时CSI进行分簇,减轻了回程链路的负担;且该算法考虑了远程天线单元间的双向选择,克服了传统算法只考虑单向选择导致的系统性能受限的问题;此外,该算法通过限制协作簇规模并采用贪婪算法进行协作簇的合并,降低了计算复杂度。仿真结果表明,所提算法的频谱效率远高于静态分簇算法并且接近利用瞬时CSI的动态分簇算法。

大规模天线的增益来源与发展现状研究

基于当前的多天线技术发展,多天线系统通过分集、复用、波束赋型等增益,极大的提升了系统的效率,大规模天线技术通过超过百副的天线数量,配合5G高频率资源,可进一步扩展系统覆盖,降低干扰,提高系统的容量。同时,文章探讨了目前大规模天线技术的发展情况。

面向5G的大规模天线无线传输理论与技术

随着4G无线网络的实现,人们提出了5G网络的开发计划。为了能够满足5G网络对信息传输的需求,应当在各个方面进行创新,以提高系系统效率。本文就面向5G的大规模天线无线传输理论与技术进行探讨,从信息信息获取、传输方法、资源分配三个技术层面进行了阐述,希望通过本文的阐述能够促进我国5G网络技术的进步,为我国5G时代的到来作为一定的贡献。

大规模MIMO系统中基于迫零预编码的能效优化算法

在大规模多输入多输出无线通信系统中,为提高能效的利用率,提出一种用于优化下行链路能效的功率分配算法。基于迫零预编码思想推导出速率与用户总功率的解析式。在满足用户最小数据速率要求和基站天线最大发射功率约束的条件下,建立能效优化模型,该模型同时考虑大尺度衰落和阴影衰落的实际功耗。通过对分式规划问题性质的探讨,将原始的约束非凸分式最优化问题转换成减式形式,进而利用拉格朗日定理给出低复杂度的功率分配方案。仿真结果表明,与基于标准干扰函数的算法相比,该算法的系统能效提高明显。

基于MF预编码的大规模MIMO网络SINR概率密度分析

大规模MIMO系统中,相对于其他基于信道矩阵分解的波束成形算法,如迫零、最小均方误差算法等,匹配滤波(Matched filter,MF)具有复杂度极低的优点,从而成为一种极具实用潜力的波束成形算法。鉴于此,本文推导了基站采用MF波束成形算法时,用户端信干噪比(Signal-to-interferenceand-noise ratio,SINR)的近似概率密度函数(Probability density function,PDF)。该函数对于推导与分析系统性能,如和速率、中断概率等至关重要。仿真表明:当基站天线数趋于大规模时,SINR公式的PDF曲线趋近于通过纯仿真得到的PDF曲线。

毫米波无线通信系统混合波束成形综述

毫米波频段拥有大量未充分使用的频谱资源,能有效缓解低频段频谱拥塞,并且由于毫米波波长较短,能极大地减小大规模天线系统的物理尺寸,使得毫米波通信成为5G无线通信系统潜在的关键技术之一。考虑到毫米波传播路径损耗严重,毫米波系统需采用波束成形技术改善传输质量。在毫米波大规模多输入多输出(Multiple-input multiple-out,MIMO)系统中,由于数字波束成形高功耗、高成本问题,混合数模波束成形成为重要的替代方案。本文首先阐述了毫米波混合波束成形的研究现状,而后给出了系统模型,最后介绍了信道估计、码本设计和低复杂度设计等混合波束成形的关键技术。

面向5G的大规模天线无线传输理论与技术

为了满足2020年无线通信传输速率达到现有系统千倍的需求,研究学者已开始了5G移动通信系统的研发.相比第四代(4G),第五代(5G)移动通信需要在无线传输技术上取得突破性创新,以实现频谱效率和功率效率提升10倍的目标.其中,进一步挖掘多天线的空间复用能力是实现5G的关键途径.在接入点配置大规模天线阵列或多个接入点通过光纤互连形成大规模分布式多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统,可以大幅提高系统总的频谱效率.本文对大规模MIMO和大规模分布式MIMO的研究进行了综述,包括频谱效率理论分析、信道信息获取、传输理论与技术和资源分配技术.

压缩感知技术在未来移动通信系统中的应用

探讨了一种压缩感知技术在未来大规模天线阵列系统导频设计中的应用方案,结果表明,基于压缩感知技术的导频设计方案可有效降低未来移动通信系统中的导频开销,提升性能。进一步还可以考虑将压缩感知技术与未来移动通信系统中可能使用的认知无线电技术结合起来用于发现空闲频谱比较多的频段内的空闲资源,有效降低系统硬件实现成本,或者是将压缩感知技术与其他天线降维技术结合起来,提升未来移动通信系统的用户体验。

5G移动通信系统及其关键技术研究

为了满足未来对于高数据速率和移动性数据持续增长的需求,业内陆续开展了对于第5代移动通信系统的研究。本文主要论述了目前使用的4G通信网络的局限性,在此基础上发展的5G移动通信系统的优势、关键技术及进一步研究方向。

基于连续干扰消除和交替方向乘子法的混合预编码设计

为解决毫米波多天线系统大量移相器(PS)引起的高功耗问题,设计了一种新型动态连接结构,以最大化频谱效率为目标提出了连续干扰消除(SIC)和连续干扰消除−交替方向乘子(SIC-ADMM)2种混合预编码方案。SIC将总速率问题分解为不同射频链路的子速率问题,先对模拟部分进行逐次迭代,转化为低维度等效矩阵后再对数字部分进行求解。SIC-ADMM是对SIC的改进,通过研究多变量子速率问题实现算法的快速收敛,并能有效地降低计算复杂度。仿真结果表明,所提方案在频谱效率和能量效率方面优于现有典型预编码方案,且更适用于大规模天线系统。此外,当关闭一定比例PS后,所提方案能够通过牺牲少量频谱效率换取能量效率的大幅提升。