發(fā)布時(shí)間：2020-05-28 06:58

【摘要】：為了滿足蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的需求,第三代合作伙伴項(xiàng)目(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)在第五代(the 5thGeneration,5G)移動(dòng)通信新空口(New Radio,NR)研究中將運(yùn)用更大的帶寬、更高階的調(diào)制以及更多天線數(shù)的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術(shù)。5G多天線系統(tǒng)以其高容量、大規(guī)模天線的高增益和靈活的波束賦形等特點(diǎn),成為5GNR研究的熱點(diǎn)之一。5G NR MIMO融合全維度MIMO(Full Dimension-MIMO,FD-MIMO)和大規(guī)模MIMO(MassiveMIMO)技術(shù),從空間維度和天線數(shù)量?jī)煞矫孢M(jìn)行增強(qiáng)。其中,FD-MIMO綜合多個(gè)維度信息提高了空間分離度,靈活的波束賦形與動(dòng)態(tài)下傾角調(diào)整技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)了覆蓋深度。考慮到FD-MIMO的技術(shù)特點(diǎn),結(jié)合其與5G密集異構(gòu)組網(wǎng)(Heterogeneous Networks,HetNets)技術(shù),通過(guò)垂直波束下傾角調(diào)整與小區(qū)接入的聯(lián)合優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)更精確的小區(qū)接入方式將具有十分重要的研究意義;此外,5G Massive MIMO擁有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)MIMO的大規(guī)模天線和窄波束數(shù)量,但在提升頻譜效率的同時(shí),如何提高波束管理中波束掃描過(guò)程的資源利用率并有效降低波束上報(bào)負(fù)載開(kāi)銷等問(wèn)題仍亟待研究和解決。針對(duì)上述問(wèn)題,本文開(kāi)展了對(duì)5G多天線系統(tǒng)的波束管理研究,主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:針對(duì)FD-MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)接入問(wèn)題,本文通過(guò)動(dòng)態(tài)垂直波束賦形技術(shù)對(duì)小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶進(jìn)行配置。之后,針對(duì)小區(qū)接入與垂直波束下傾角調(diào)整的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題,提出了基于拉格朗日對(duì)偶分解的聯(lián)合處理算法(Joint Processing algorithm based on Lagrange Dual Decomposition,JP-LDD算法),從多個(gè)維度提高了小區(qū)接入有效性與精確度,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率的最大化。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了接入控制策略并對(duì)JP-LDD算法進(jìn)行收斂性與計(jì)算復(fù)雜度分析。系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)接入算法相比,JP-LDD算法在提高頻譜效率、減少小區(qū)間干擾方面具有明顯優(yōu)越性。此外,不同天線配置下的頻譜效率曲線證實(shí)了JP-LDD算法在Massive MIMO系統(tǒng)中的可行性。針對(duì)NR Massive MIMO波束管理中上下行參考信號(hào)映射結(jié)構(gòu)以及波束掃描過(guò)程中資源利用率低的問(wèn)題,本文提出了一種基于交織頻分多址(Interleaving Frequency Division Multiple Access,IFDMA)模型的統(tǒng)一可配信道狀態(tài)指示參考信號(hào)(Channel State Indication Reference Signal,CSI-RS)及探測(cè)參考信號(hào)(Sounding Reference Signal,SRS)映射結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)信令配置,以同時(shí)實(shí)現(xiàn)波束掃描及信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)獲取功能�；�于該結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提出了一種提高NR MIMO波束掃描過(guò)程中空閑資源利用率的方案,并推導(dǎo)出系統(tǒng)進(jìn)行波束掃描時(shí)的吞吐量公式。系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果表明,本文所提方案能為單小區(qū)平均吞吐量帶來(lái)7.5%左右的提升,為之后深入研究波束上報(bào)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。針對(duì)NR Massive MIMO波束管理中非分組式波束上報(bào)機(jī)制造成較高系統(tǒng)開(kāi)銷問(wèn)題,本文依次給出三種降低開(kāi)銷的子方案。首先,提出了N-1差分比特法、發(fā)射波束狀態(tài)法(有序與無(wú)序)三種新的上報(bào)方法來(lái)降低上報(bào)中CSI-RS資源標(biāo)識(shí)的負(fù)載開(kāi)銷;隨后,為進(jìn)一步降低層一參考信號(hào)接收功率(Layer 1-Reference Signal Received Power,L1-RSRP)測(cè)量值負(fù)載,進(jìn)一步提出部分上報(bào)、混合上報(bào)兩種上報(bào)類型,并設(shè)計(jì)了上報(bào)內(nèi)容有效性判決方案;最后,基于基站的靈活配置及信令設(shè)計(jì),結(jié)合上述上報(bào)方法及類型提出周期性動(dòng)態(tài)配置的波束上報(bào)機(jī)制。仿真結(jié)果表明,本文提出的降低波束上報(bào)開(kāi)銷方案減少了接近25%的上報(bào)開(kāi)銷,從而提升了5G NR MIMO系統(tǒng)上行平均吞吐量。
【圖文】：

邐？邋．－NB邐Ｓ｜）＼＿邐（■逡逑圖１－１邋４Ｇ邋ＬＴＥ與５ＧＮＲ技術(shù)對(duì)比圖逡逑圖１－１給出了邋４Ｇ與５Ｇ的標(biāo)準(zhǔn)研究技術(shù)對(duì)比圖，從中可以看出兩者存在非逡逑常大的技術(shù)重合。但若從通信協(xié)議的角度縱向分析，可以看出就底層而言，５Ｇ物逡逑理層技術(shù)有著非常大的變化，當(dāng)中最具代表性的是“毫米波”、“Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ”逡逑和“波束管理”三項(xiàng)技術(shù)。５Ｇ邋ＮＲ載波頻段分為兩部分，頻段一從４５０邋ＭＨｚ到逡逑６０００邋ＭＨｚ，頻段二為毫米波波段從２４．２５邋ＧＨｚ到５２．６邋ＧＨｚ［ｍ４］。盡管３ＧＰＰ不逡逑排除使用６邋ＧＨｚ以下頻段對(duì)ＮＲ進(jìn)行部署，但似乎大多數(shù)的部署仍會(huì)在毫米波逡逑頻段進(jìn)行［１５］。由于毫米波的特性，ＮＲ需要更多技術(shù)手段來(lái)彌補(bǔ)低覆蓋范圍，高逡逑衰落，易受阻擋，繞射能力弱的缺陷［１６“８］。此外，５ＧＭａｓｓｉｖｅＭＩＭＯ中數(shù)量龐大逡逑的天線和能量更集中的波束

ＦＤ－ＭＩＭＯ５Ｇ，入和垂直波束下傾角調(diào)整的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，，旨在讓用戶綜合考慮待接入的候選基逡逑站和垂直波束下傾角，實(shí)現(xiàn)接入一個(gè)基站的一個(gè)下傾角。本章的聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)是逡逑實(shí)現(xiàn)ＦＤ－ＭＩＭＯ異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)頻譜效率的最大化。該優(yōu)化目標(biāo)受制于小區(qū)接及垂直波束下傾角的相關(guān)約束條件。由于小區(qū)接入這一約束條件，使得復(fù)雜的優(yōu)逡逑化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題。因此，針對(duì)上述聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，本章提逡逑出了一種基于拉格朗日對(duì)偶分解的聯(lián)合處理算法（ＪＰ－ＬＤＤ算法）。后續(xù)還將給出逡逑對(duì)于ＦＤ－ＭＩＭＯ異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入控制策略。此外，基于３ＧＰＰ給出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中逡逑主要假設(shè)和參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)仿真。相關(guān)結(jié)果表明，無(wú)論在提高頻譜效率還是在逡逑小區(qū)邊緣用戶干擾協(xié)調(diào)方面，ＪＰ－ＬＤＤ算法都優(yōu)于傳統(tǒng)的小區(qū)接入算法。本章下部分安排如下。第二小節(jié)中，給出ＦＤ－ＭＩＭＯ異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型及聯(lián)合優(yōu)化理。第三小節(jié)介紹用于解決小區(qū)接入及垂直下傾角調(diào)整的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題所提出的逡逑．ＩＰ－ＬＤＤ算法。仿真結(jié)果將在第四小節(jié)中給出，后續(xù)的第五小節(jié)給出了本章結(jié)論。逡逑２．２系統(tǒng)模型及聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題求解逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN828.6

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