1、3D MIMO蜂窝网络蜂窝网络 研究报告研究报告（2021年）年）中国通信学会中国通信学会2022 年年 3 月月 专专家组和撰写组名单家组和撰写组名单 专家组：专家组： 组长：组长： 陈前斌 重庆邮电大学 副校长 副组长：副组长： 周继华 航天新通科技有限公司 副总经理 周喜川 重庆大学通信工程学院 副院长 Xiaoli Chu 谢菲尔德大学 教授 Jian Yang 查尔姆斯理工大学 教授 成员成员： 姓名 单位 职务 金龙 兰州大学 教授 李华青 西南大学 教授 Hongying Meng 布鲁内尔大学 教授 汪洋 哈尔滨工业大学（深圳） 副教授 王洋 重庆邮电大学 教授 廖希 重庆邮电
2、大学 副教授 邵羽 重庆邮电大学 副教授 撰撰写写组组( (按单位排名按单位排名) ) 单位 姓名 哈尔滨工业大学 （深圳） 李华福，白浩杰，王启明 重庆邮电大学 叶志红，胡韬，王森 兰州大学 张嘉政 前前 言言 现今微博与微信等社交网络， 抖音和快手视频流等应用程序正在推动新的社交互动、对话、交流和协作形式，其中大多数都是依赖于蜂窝移动通信网络， 这些新兴的应用场景导致了移动流量需求呈现指数级增长。现有预测表明无线网络业务量将在未来 10 年内增长 1000倍。特别是近两年，无线网络发展呈现出热点更热的趋势，20%的区域已经承载 60%70%的流量。有效提升移动网络容量是满足未来无线通信业务
3、需求的重要保障， 同时也是未来无线网络设计面临的主要挑战。近年来广受关注的 3D MIMO 技术在提升热点场景传输容量方面具有巨大潜力。3D MIMO 可以通过垂直维度的通道隔离实现不同通道内所含天线振子的独立电调，完成垂直维度的波束赋型。通过密集部署带有 3D MIMO 天线阵列的蜂窝基站，能够有效地利用空间维度提升整网容量增益。 人工智能技术与应用委员会 2022 年 3 月 目目 录录 一、一、3D MIMO 概述概述 . 1 （一）场景需求. 1 （二）基本原理. 3 （三）国内外研究现状 . 4 （四）标准化和产业化现状 . 8 二、二、3D MIMO 关键技术关键技术. 10 （一
4、）信道测量与特性分析 . 10 1.1 室内走廊毫米波信道测量与特性 . 11 1.2 室内 3D MIMO 毫米波信道测量与特性分析 . 13 （二）毫米波天线设计 . 14 2.1 毫米波双频圆极化微带天线. 14 2.2 毫米波三频双圆极化 SIW 天线 . 15 （三）三维空间调制 . 17 3.1 广义三维空间散射调制技术. 17 3.2 广义极化空间调制技术 . 18 3.3 自适应空间散射调制技术 . 19 3.4 偏振空间散射调制技术 . 20 3.5 室内信道三维空间调制技术. 21 （四）网络优化配置 . 22 4.1 优化配置标准化进程 . 22 4.2 蜂窝网络优化配置
5、方法 . 23 （五）波束成形. 26 三、结束语三、结束语 . 27 参考文献参考文献 . 28 图图目录目录 图 1 应用场景示例 . 2 图 2 3D-UMa 和 3D-UMi 场景示意图 . 2 图 3 (a)阵列分组架构，(b)阵列连接架构 . 3 图 4 室内走廊和楼梯毫米波信道测量 . 11 图 5 测量原理及平台 . 13 图 6 时延与三维空间角度联合提取结果 . 14 图 7 双频微带天线结构与性能 . 15 图 8 毫米波三频双圆极化 SIW 天线 . 16 图 9 基于模拟移相网络的广义三维 SSM 系统模型 . 18 图 10 GPSM 发射机框图 . 18 图 11
6、 ASSM 的系统模型 . 20 图 12 PSSM 的系统模型 . 21 图 13 三维信道测深仪及测量环境 . 21 图 14 具有三个相邻小区的 3D MIMO 网络结构 . 24 图 15 混合多小区协作优化策略 . 25 表表目录目录 表 1 3D MIMO 产品架构 . 9 缩略缩略语语 3D Three-dimensional 三维 3D SM 3D Spatial Modulation 3D 空间调制 AAS Active Antenna System 有源天线系统 ASSM Adaptive Spatial Scattering Modulation 自适应空间散射调制 BD
7、 Block Diagonalization 块对角化算法 BD-DFT Block Diagonalization-DFT 块对角化 BS Base Station 基站 CSI Channel State Information 信道状态信息 CST Conventional Single-cell Transmission 单小区传输 D2D Device-to-Device 端到端 DFT Discrete Fourier Transform 离散傅里叶变换 DP Dual-Polarized 双偏振 DPC Dirty Paper Coding 脏纸算法 GCPW Coplanar
8、Wavegide with Ground 接地共面波导 GPSM Generalized Polarization Space Modulation 广义极化空间调制 HPBW Half Power Beamwidth 半功率波瓣宽度 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 电气与电子工程师协会 ITU International Telecommunication Union 国际电信联盟 LNA Low Noise Amplifier 低噪声放大器 LOS Line-of-Sight 视距 MIMO Multiple-I
9、nput Multiple-Output 多输入多输出 ML Maximum Likelihood 最大似然 MMSE Minimum Mean Square Error 最小均方误差 NLOS Non-Line-of-Sight 非视距 NMT Network MIMO Transmission 网络多输入多输出传输 PA Power Amplifier 功放 PLE Path Loss Exponent 路径损耗指数 PolarSK Polarization Shift Keying 偏振移键控 PSSM Polarized Spatial Scattering Modulation 极化
10、空间散射调制 QoS Quality of Service 服务质量 RMS Root Mean Square 均方根 Rx Receiver 接收端 SBT Switched Beam Tilting 波束倾角切换 SD Sphere Decoding 球面解码 SDMA Space Division Multiple Access 空分多址 SINR Signal to Interference Noise Ratio 信干噪比 SIW Substrate Integrated Waveguide 基片集成波导 SLNR Signal-to-Leakage Noise Ratio 信漏噪比
11、 SNR Signal Noise Ratio 信噪比 SSM Spatial Scattering Modulation 空间散射调制 Tx Transmitter 发射端 TXRU Transceiver Unit 收发机单元 UE User Equipment 用户设备 UMa Urban Macro 城市宏蜂窝 UMi Urban Micro 城市微蜂窝 UTP-ASSM Unequal Transmission Probability-based ASSM 基 于 不 等 传 输 概 率ASSM V2V Vehicle-to-Vehicle 车与车通信 VNA Vector Netw
12、ork Analyzer 矢量网络分析仪 XPD Cross-Polarization Discrimination 交叉极化鉴别 ZF Zero Forcing beam-forming 迫零波束成形 1 一、一、3D MIMO 概述概述 （一一）场景需求场景需求 从技术需求和适应场景来看，3D MIMO 适用于高楼覆盖、高负荷和高干扰等应用场景。典型应用场景包括城市宏蜂窝覆盖、城市微蜂窝覆盖、室内覆盖和高楼覆盖等。城市宏蜂窝覆盖场景下基站覆盖面积较大，用户数量较多，基站一般安装在建筑物屋顶上，比如发射机高度 25 米，接收机高度 1.5-2.5 米，站间距 500 米。城市微蜂窝覆盖主要针
13、对室外业务热点区域进行覆盖，比如露天集会、商圈等用户密度大的区域，该场景下虽然基站覆盖面积较小，但是用户密度通常很高，基站一般安装在周围建筑物屋顶以下，比如发射机高度 10 米，接收机高度 1.5-2.5 米，站间距 200 米。室内覆盖主要针对室内业务热点区域进行覆盖，如大型赛事、演唱会、商场和体育馆等。在这种场景下，基站通常部署在天花板或者屋顶的各个角落里，例如发射机高度 2-3 米，接收机高度 1.5 米，覆盖区域 500 平方米。高楼覆盖场景主要指通过位置较低的基站为附近的高层楼宇提供覆盖。 用户大量分布于不同的楼层，这就需要基站具备垂直大角度范围的覆盖能力。3D MIMO 能够通过三
14、维波束很好地实现整栋楼宇的覆盖。3D MIMO技术也大量用于 D2D/V2V 网络改善网络性能，比如开放区域、街道峡谷和室内场景等。3D MIMO 作为频谱效率提升的主要技术，通过增加垂直面的波束覆盖能力，有效地控制水平和垂直两个维度的波束，进行全方位覆盖，使信号能量更集中，方向更精准，增强空域复用和抗干扰能力。图 1 为 3D MIMO 网络应用场景示例。 2 图 1 应用场景示例 图 2 3D-UMa 和 3D-UMi 场景示意图 图 2 显示了 3D-UMa 和 3D-UMi 场景示意图。3D-UMa 中，天线阵列安装在屋顶；3D-UMi 中，天线阵列安装在屋顶以下；3D-UMa中，屋顶
15、上的衍射是传播主导因素之一，因此在垂直方向上存在向下倾斜的波束。另外，在 3D-UMi 场景中，用户位置高于天线高度，因此 LOS 占主导地位，此时可以控制波束的上下倾斜来服务不同楼层之间的用户。另外，由于 3D-UMi 场景的小区半径通常比 3D-UMa小， LOS 信道条件占主导， 因此可以在不增加用户间干扰的情况下调度更多终端。 3 （二二）基本原理基本原理 与传统 MIMO 技术相比，3D MIMO 技术有两个不同的特点。首先，它受益于安装在 BS 上的大量发射天线阵列提供额外的自由度。随着基站天线数目增加，各 UE 的信道趋向于正交，用户间的干扰趋于消失，由此带来的天线阵列增益将有效
16、地提升每个用户的信噪比，因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输， 提升小区的平均频谱效率，降低邻小区干扰，提升系统容量。其次，有源天线系统的使用提供了 3D 动态波束的自适应能力。有源天线系统的一个特点是，每个 TXRU 需要包含 PA 和 LNA，因此基站可以控制单个天线单元的增益和相位。 3GPP 定义了 TXRU 虚拟化模型来描述 TXRU 信号与天线阵元信号之间的关系，如图 3 所示。 TXRUTXRUMKw1w2w3w4m=1m=2 xqwM+TXRUm=1TXRUm=2w1,1 xqW (a) (b) 图 3 (a)阵列分组架构，(b)阵列连接架构 阵列分组架构中，天线单元被拆
17、分为多组，每个 TXRU 与其中一组相连，将 M 天线单元划分为 TXRU 的 K 组，并为每组分配正交的信道状态信息参考信号。阵列连接结构中，将多个 TXRU 的射频 4 信号发送到单个天线单元，每个与同一极化的天线阵列相关联的TXRU 输出信号被分割成 M 个信号，这些信号由一组移相器或可变增益放大器预编码，在每个天线单元上合并 MTXRU加权信号。 （三三）国内外研究现状国内外研究现状 下面围绕 3D MIMO 聚焦的研究热点阐述国内外研究现状。 通过对垂直维度的充分利用和灵活的波束赋形，3D MIMO 能区分三维空间分布的多用户并提供更高的传输速率， 且适用于多个不同的传输环境，因而受
18、到业内研究人员的高度重视。目前，国内外针对3D MIMO 多用户系统波束赋型技术的研究，通常可分为基于非码本的 3D MIMO 波束赋型和基于码本的 3D MIMO 波束赋型两类。 基于非码本的3D MIMO波束赋型技术的核心问题是波束赋型加权矩阵的优化设计问题，即基于非码本的 3D MIMO 波束赋型要求在基站端已知各信道用户的信道状态信息， 根据信道状态信息优化待发送波束的权值。常见的波束赋型算法有 DPC、MMSE、BD 和 SLNR。文献1通过动态的垂直波束赋型，让小区中心用户和小区边缘用户有不同的下倾角， 提出了一种基于对偶分解的联合处理多点协作的干扰消除方法， 让小区中心用户和小区
19、边缘用户在基站功率限制和下倾角范围限制条件下，系统吞吐量达到最大，但下倾角不能根据用户的位置而动态地调整。 文献2-4研究了动态地调整波束下倾角对 MIMO系统的影响，并且在此基础上给出了两种动态调整波束下倾角的方法：(1) 波束的主瓣方向精准地指向激活用户，将其简称为用户专用倾角；(2) 设计有限个波束下倾角，根据目标用户所处的具体位置动 5 态地选择波束，通过这种方式选择的波束简称为用户专用倾角。在UST 方式中， 用户接收到的有用信号功率不仅最大， 而且有效地抑制了多用户间同频干扰，显著提高了用户接收 SINR，使系统的频谱效率和吞吐量得到显著地提升。文献5提出了一种通过恰当调整波束下倾
20、角进行多用户 MIMO 系统优化的方法，该方法将原小区按垂直下倾角划分为几个子小区，并为每个子小区设计一个固定的下倾角，然后利用波束赋型技术进行多用户干扰消除，通过实验仿真知，该方法显著提高了系统的吞吐量。 文献6, 7提出了基于克罗内克积 3D 波束赋型设计，首先对基于均匀矩形阵列的 3D 信道相关模型进行了分析，得出 3D 信道相关矩阵可以很好地近似等于水平维和垂直维信道相关矩阵的克罗内克积， 然后选取水平维信道相关矩阵的特征向量作为水平维波束赋型矩阵， 选取垂直维信道相关矩阵的特征向量作为垂直维波束赋型矩阵，最后利用基于克罗内克积的方法得到 3D 波束赋型矩阵。文献8提出了一种等价信道的
21、波束赋型设计，将信道矩阵等效成一行，该行中的每一列向量作为基站与用户之间的子信道，对所有子信道进行奇异值分解， 选取主特征向量的集合作为垂直维波束赋型矩阵， 水平方向等效矩阵可以写成信道矩阵与垂直维波束赋型矩的乘积。文献9提出了信道分离的波束赋型方案，将 3D 信道模型等效成两个独立的 2D 信道模型，一部分进行水平维波束赋型设计，另一部分进行垂直维波束赋型设计。文献10研究了单数据流传输的 3D MIMO 通信系统，基于接收 SNR 最大化准则，通过对信道矩阵进行奇异值分解，将最大奇异值所对应的奇异向量作为波束赋型向 6 量。基于统计信道状态信息已知的假设，文献11通过最大化 SLNR准则来
22、导出每个用户的最佳波束赋型向量， 从而提出仅利用每个用户的统计 CSI 来设计低复杂度的三维波束赋型 SDMA 传输算法。对于单小区多用户 3D MIMO 下行链路系统，文献12将三维波束赋型问题建模为水平方向与垂直方向波束赋型联合设计问题， 通过引入一种经典的最小化总发射功率的优化模型， 分别求解出水平和垂直方向波束赋型矩阵。 基于码本的3D MIMO波束赋型技术的核心是3D码本设计问题，主要分成三种设计思想。 第一种是分离码本设计思想。文献13, 14分别设计垂直码本和水平码本，即将 3D 码本理解成两个 2D 码本设计，反馈时反馈两组信道状态信息。基于这种思想的 3D 码本设计方案，由于
23、水平维和垂直维信道状态信息是分开测量和反馈的， 使得基站端不能准确的获得信道状态信息，这样使得 3D 码字的选取不够准确，从而不能达到很好地抑制多用户之间干扰的目的。 第二种是双层码本设计思想。文献15, 16研究了双层码本中一层表示信道长期的特性，一层表示信道短期特性，3D 码本为两层码本相乘， 反馈时同样反馈两组信道信息。 另外， 文献17提出基于 DFT的 BD-DFT 和极化天线的 3D 码本。在对于毫米波的码本设计方面，针对 IEEE 802.15.3c 中波束赋型码本， 文献18, 19针对相位天线阵列提出基于 N 相位的码本设计。基于这种思路的码本设计虽然能够很好地降低多用间干扰
24、，但是需要获取准确的信道状态信息，对于频率 7 资源有限的反馈系统链路来说，这无疑加重了系统的开销和负担。 第三种是联合码本设计思想。 根据分离码本设计的思路， 文献20, 21提出基于克罗内克积构造 3D 码本，文献22设计两个二维Household 码本构造 3D 码本。这种设计方案通过直接考虑所有用户，准确地获取了 3D 信道信息，这样基站端就能够准确地选取合适的 3D 码本进行波束赋型设计，从而达到有效降低多用户之间干扰的目的，提升系统的性能。 由于基站配置大量天线， 如何获得准确的信道估计是一个研究热点。信道建模的基础是对无线信道传输参数统计特性的深入理解，所以业内研究人员对 3D
25、MIMO 信道进行了大量的测量，对不同场景的传输参数做统计上的分析。传统 MIMO 信道只研究了水平方向上的电磁波传播，而 3D MIMO 信道还需要考虑垂直方向上的分布。文献23中 Lee 的信道测量结果显示，实际物理传输中多径在垂直方向上是十分分散的。 文献24-26中 Aulin 开展了中心频率为 900 MHz 的测量活动，并用高斯拟合的方式研究俯仰角的分布。测量包括室内、室外、城市宏蜂窝和微蜂窝等多个不同场景。文献27, 28中 Ikegami的研究结果表示，NLOS 情况下俯仰角角度功率谱在峰值两侧具有不同的斜率，呈现出双指数现象，且峰值和斜率与基站高度和实际环境有关。文献29中
26、Laitinen 等人的测量结果显示，多径在垂直方向上呈现 Laplacian 分布，均值和方差与基站高度和实际场景有关。 垂直方向的测量与研究为3D MIMO信道建模提供了强有力的理论和数据支持。进一步地，文献30-32分析了 MS 端的俯仰角角度扩 8 展，计算得出俯仰角和时延的联合概率密度函数。文献33-35研究了无线信道传播模型与移动端移动速度的关系。 给出了移动中接收信号与传播时延的关系，考虑了反射建筑物的高度对信号传输的影响。在添加俯仰角维度后，Medbo 等人研究表明 2D 信道中的一个散射体在3D 信道中可以被分解为多个不同影响等级的散射体36, 37。Nakamura等人将俯
27、仰角的最大值作为一个参数加入到信道模型中， 最大俯仰角的取值通常为 1020 度，且建模为拉普拉斯分布38-40。 （四四）标准标准化和产业化化和产业化现状现状 标准化方面，2016 年 3GPP 基于 R8R12 标准初步定义了 3D MIMO 技术的实现。 该阶段不管是 TDD 还是 FDD 系统， 只要产品本身支持二维天线阵列，都可以通过实现手段提前获得一部分 3D MIMO 性能增益。对于 TDD 系统，上下行信道互易性使得基站可以获得完整的下行信道， 因此不需要依赖预编码码本的设计和反馈增强就可以计算波束赋型矩阵来实现三维波束赋型。对于 FDD 系统，在没有针对 3D MIMO 的预
28、编码码本设计和反馈增强的情况下，依然可以利用现有标准的 CSI 机制来实现一定程度的三维波束赋型， 虽然灵活度有所降低，但是可以提前获得部分 3D MIMO 性能增益。随后的R13 和 R14 等版本进一步规定了基于增强标准的 3D MIMO 技术， 特别是面向5G低频段/高频段， 实现了BBU+AAS+一体化AAS站架构。预计 2022 年完成的标准可能支持更多天线，包括不规则形态天线。 产业化方面，2014 年 7 月中国移动成功完成了微波暗室环境下的室内测试，结果显示天线校准指标、广播波束和业务波束的各项指 9 标均满足预期要求，初步验证了 3D MIMO 技术的可行性，为进一步的外场测
29、试奠定了基础。2015 年中国移动联合华为、中兴推出了 2.6 GHz 频段采用 128 和 256 天线的 3D MIMO 样机， 并在上海和深圳开展了初步的外场试验，测试结果进一步验证了 3D MIMO 技术的可行性和产品的可实现性。通过对不同样机架构“BBU+AAS”和“一体化站型”的产品可行性、设计复杂度、系统性能和平台的前向兼容性进行分析，最终选择了“BBU+AAS”产品架构，常见架构见表 1。 表 1 3D MIMO 产品架构 产品架构产品架构 说明说明 优缺点优缺点 架构 1 BBUAAS： AAS 将 RRU 和天线集成到了一起，减少了馈线损耗 减 少 了 馈 线 损 耗 ；
30、CPRI 带宽需求较大 架构 2 BBUAAS： AAS 将 RRU 和天线集成到了一起，减少了馈线损耗 降低 CPRI 带宽需求；需要定义新接口 架构 3 一体化站型：BBU、RRU、天线完全集成在一块， 省去 CPRI 接口 不需要 CPRI 接口； 对散热等构成挑战 数据来源：41 2016 年中国移动联合华为和中兴在上海、深圳和北京等地开展了基于 4G 现网的预商用试验，对于商用产品的算法和硬件平台的稳健性和可靠性进行了全面验证。相对于现有的 8 天线，下行小区吞吐量可提升 2.5 倍，推动 3D MIMO 产品走向成熟。2017 年中国移动将在 TD-LTE 网络中开始大规模部署 3
31、D MIMO 产品，解决当前网络在业务热点、高楼覆盖等场景下的扩容和深度覆盖问题。为了测试3D MIMO 产品在 TD-LTE 网络中的真实性能，在当前网络中仅将一个基站替换为 3D MIMO 基站，保留周围的基站仍为传统的 8 天线 10 TD-LTE 基站。在目前网络环境下观察到基站容量提升了 150%左右41。目前，类似中国移动这样的电信运营商已经在多个城市实现 3D MIMO 多场景商用部署，如杭州、深圳、合肥、洛阳和石家庄。在这些城市的试点建设中，频谱利用率有了显著提高，用户感知也得到了提升42。3D MIMO 不仅可以提升频谱利用率，提升系统容量还可以有效地增强用户在网络边缘的体验
32、能力， 使得高清视频业务应用体验大幅度提升。 我国作为世界宽带无线通信领域研究的重要参与国， 有必要紧跟标准化进程和产业研究热点，抓住 3D MIMO 这一新兴技术作为突破口，加强关键技术研究与储备，占领先机，甚至引领行业发展方向。 二、二、3D MIMO 关键技术关键技术 （一一）信道测量与特性分析信道测量与特性分析 随着移动互联网和物联网技术的不断深入发展，未来几年将有80%无线通信业务以及个人通信系统将在室内环境中应用，室内无线传播特性研究越来越重要。因此，为了设计出强能力、鲁棒性更好的毫米波通信系统， 需要深入地研究各种室内场景下毫米波信道模型和信道传播特性。 室内毫米波3D MIMO
33、无线信道建模为小蜂窝网络规划与优化提供有价值的信道信息。 由于室内分布着多种多样不同电磁特性的建筑材料，导致毫米波 3D MIMO 无线信号传播复杂，有必要综合理论仿真和测量数据，研究典型场景信道传播特性，提取多径信道参数，分析毫米波 3D MIMO 信道分簇特性，建立室内毫米波信道模型。 11 1.1 室内室内走廊走廊毫米波信道测量与特性毫米波信道测量与特性 毫米波信道测量方法采用频域扫描测量法， 即利用矢量网络分析仪(VNA)进行信道测量，由 VNA 记录的 S 参数（1 端口为输出，2 端口为输入）得到频域响应，离散傅立叶逆变换获得信道冲激响应。 图 4 室内走廊和楼梯毫米波信道测量 典
34、型室内测量环境包括短走廊、长走廊以及楼梯间。图 4 显示了测量平台、方案和场景，图中红色点表示 Tx，蓝色点表示 Rx。发射天线为全向双锥天线，接收天线为定向喇叭天线，其中定向喇叭天线在 26 GHz 和 38 GHz 下的增益和 HPBW 分别为 13.3 dBi 和 35， 16.1 dBi 和 30。收发天线高度均为 1.2 m，接收天线沿着蓝色点从 Rx(1)移至 Rx(15)，移动间隔为 0.3 m，接收天线俯仰角保持为 0，方位 12 角以 36为步长进行水平旋转扫描。 测量数据包括 V-V 和 V-H 极化，其中 V-V 极化数据， 即发射天线和接收天线均为垂直极化， V-H 极
35、化数据则是通过旋转定向喇叭天线 90来获得，旋转后天线在水平方位角同样以 36步长进行旋转测量。为避免测量误差，同一接收位置共测得 20 组数据取平均值。 重点研究室内环境下毫米波信道的路径损耗、 交叉极化鉴别率以及RMS时延扩展特性随传播环境、通信频率和电波极化的变化规律。结果表明，短走廊环境下NLOS场景的PLE和阴影衰落因子远大于LOS场景，主要是由于短走廊环境单一，来自墙面的多径分量较少，造成路径损耗增长加快。在场景单一的视距短走廊环境下，频率对电波传播特性的影响并不明显， 较大的XPD也表明短走廊环境的去极化效应较弱。 长走廊环境下38 GHz在V-V极化场景的拟合结果与26 GHz
36、非常相似， 但在V-H极化场景中PLE和阴影衰落因子均比26 GHz的小，表明在38 GHz频点下有更明显的去极化效应。从XPD以及RMS时延扩展可以看出，长走廊环境比短走廊具有更明显的去极化现象，主要是由于长走廊环境结构更复杂，来自墙面和玻璃的反射、绕射以及漫散射等多径效应更明显。随着发射天线高度的增加，PLE和XPD值更小。对比楼梯环境和走廊环境，一方面楼梯环境下PLE和阴影衰落因子比走廊环境更大，主要是楼梯环境中的栏杆、台阶以及墙面有更加丰富的反射和绕射射线；另一方面，楼梯环境的XPD要远小于走廊环境的XPD，尤其是NLOS场景中XPD接近零甚至为负，说明楼梯环境下去极化效应最明显。 无
37、论是走廊还是楼梯环境， 38 GHz的XPD均小 13 于26 GHz的XPD，说明更高频率下去极化效应更强。楼梯环境RMS时延扩展均值比走廊环境大，表明楼梯环境有更多的NLOS分量。 1.2 室内室内 3D MIMO 毫米波信道测量毫米波信道测量与与特性分析特性分析 4.45m1.07m1.02m0.24mABC2020 space positionerVNAWirelessChannelTxRxVirtual Arrays 图 5 测量原理及平台 针对传统的参数提取算法适用性不强、分辨率不足等问题，提出可适用于 MIMO 信道的频域空间交替广义期望最大化算法。一方面，该算法改进了频域接收信
38、号模型， 发射天线阵列和接收天线的导向矢量，使其适用于发射端为均匀平面阵列和接收端为单天线的传播信道；另一方面，在参数提取迭代更新过程中，采用参数优先级依次更新空间参数、时延参数和复振幅，实现对多用户时延三维空间角度信息的联合估计。测量环境为室内阶梯报告厅，包括视距和非视距传播条件，测量中心频率为 28 GHz，测量平台主要分为硬件平台和软件控制程序，如图 5 所示。 为了验证提出算法的性能， 对测量数据分别采用空间交替广义期 14 望最大化算法和改进的算法提取路径参数，算法中传播路径设置为60 条， 迭代次数为 20 次。 图 6 为时延与三维空间角度联合提取结果。结果表明改进的频域空间交替
39、广义期望最大化算法能准确地估计出时延和三维空间角度参数，能够较好地适用于三维空间下毫米波 3D MIMO 无线信道。 0204060900时延, /ns60改进的FD-SAGESAGE时延, /ns020406070180改进的FD-SAGESAGE70180时延, /ns0204060-80-75-70-65-60-55-50功率/dB改进的FD-SAGESAGE(a) UPA, 44 (b) UPA, 1010 (c) UPA, 2020 图 6 时延与三维空间角度联合提取结果 （二二）毫米波天线设计毫米波天线设计 5G 系
40、统中毫米波天线研究仍是一个主流方向，对于毫米波频段使用的一个主要挑战是随着工作频率升高， 电磁波在空间中的衰减也越来越严重。毫米波频段被划分为多个不相连的频段，分别将发送和接收信息通过不同频段电磁波进行传播。 这种全双工通信方式可以大大减小系统间干扰， 同时也要求手机天线或者移动基站天线能够进行双频甚至多频工作。因此，研制适合 5G 工作频段的毫米波双频圆极化天线具有深远意义。 2.1 毫米波双频圆极化微带天线毫米波双频圆极化微带天线 基于平面阿基米德螺线的辐射单元设计了双频微带天线， 该双频微带天线具有单层介质结构，如图 7 所示。 15 图 7 双频微带天线结构与性能 结合介质基片对天线性
41、能的影响，综合价格成本与性能等因素，本天线最终选择了 Taconic TLY-5 介质材料作为介质基片，介电常数r为 2.2，损耗角正切 tan 为 0.0009。介质厚度为 0.787 mm，覆铜层厚度为35 um。 该天线在29 GHz频点的 S参数和轴比分别为-14.53 dB和 2.61，在 38 GHz 频点的 S 参数和轴比分别为-22.85 dB 和 2.93，最大辐射方向的 XPD 大于 10 dB，并且在 29 GHz 和 38 GHz 的增益分别为 6.9 dBi 和 6.6 dBi，效率都达到了 90%。 2.2 毫米波三频双圆极化毫米波三频双圆极化 SIW 天线天线 结
42、合介质基片对天线性能的影响，设计三频 SIW 天线。该天线由馈电网络和辐射单元组成， 馈电网络由 GCPW 传输线、 GCPW-SIW变换器和 SIW 传输线组成，如图 8 所示。黑色圆柱体为 SIW 结构的窄边金属化过孔，辐射器与 SIW 传输线相连，该传输线长度为 L m，通过锥形GCPW到SIW变换器将GCPW传输线中的激励信号传输到SIW 传输线中，SIW 传输线中的三对红色圆柱体为直径为 d 的金属化过孔。 采用 Rogers Duriod RT5880 作为介质基片， 介质厚度为 0.254 16 mm，覆铜层的厚度为 18 um。RT5880 介质板相对于 TLY-5 介质板在整
43、个工作频段范围内介电常数r和损耗角正切 tan 更加稳定。 图 8 毫米波三频双圆极化 SIW 天线 结果表明，三频双圆极化 SIW 天线在三个频段内 S11-10dB 的IBW 分别为 3.7% (27.4628.50 GHz)、 2.3% (32.7833.54 GHz)和 3.1% (37.4838.67 GHz)，在 28.14 GHz 和 38.12 GHz 时轴比最小，分别为1.43 dB 和 0.43 dB。两个圆极化频段的实测轴比带宽分别为 1.2% (27.9828.33 GHz)和 0.8% (37.9538.26 GHz)。仿真与测试结果间的工作频率偏移主要由 mmWav
44、e 波段介电常数和损耗角正切的不精确性、制造误差或连接器不稳定等引起。总的来说，测量结果与仿真结果基本一致。 17 （三三）三维三维空间调制空间调制 3D SM 是一种具有较高频谱和能量效率，结构简单的数字调制技术。与传统的幅度和相位调制不同，3D SM 技术引入了空间维度，提高了频谱效率。 3.1 广广义义三维空三维空间散射调制技术间散射调制技术 SSM 是一种新兴的毫米波通信调制技术，它利用波束空间域资源提高了频谱效率。传统的 2D MIMO 系统中，天线单元仅与方位角线性适配，而在实际应用中信道具有三维空间特性。大多数 SSM 技术只关注 2D MIMO 系统，将 SSM 系统推广到 3
45、D 是有必要的。 目前的最新工作是将线性天线阵列应用于 SSM 系统，它只需要方位角来区分散射路径方向。为了充分利用波束空间域资源，SSM系统除需考虑入射角和离开角外，还需要考虑到到达和离开的仰角。同时，SSM 系统限于使用单一的射频链进行信号传输，而在多个射频链的情况下，SSM 系统的性能尚未得到研究。此外，现有工作大多假设接收机阵列向量彼此正交， 故设定接收射频链上的噪声是独立分布的。然而，实际 3D SSM 系统中，接收端射频链上噪声通常是相互关联的，它们会严重影响系统绩效评价。 考虑到多径传播环境中发射信号会通过多个散射路径到达接收机。为此，设计了一种广义的 3D SSM 系统，如图
46、9 所示。该系统通过考虑垂直角度和水平角度来确定信号散射路径， 并选择这些路径来传递信息位元。 18 图 9 基于模拟移相网络的广义三维 SSM 系统模型 3.2 广义广义极化空间调制技术极化空间调制技术 实验表明在极化域增加一个可用自由度有助于提高频谱效率， 并减少所需的天线间距。DP SM 系统作为一种极化的单射频 MIMO，它只选择水平和垂直偏振状态中的一种发射信号。 例如当发送位为0，选择垂直偏振状态，否则选择水平偏振状态。因此，在 DP SM 系统中极化自由度只有 1 b/s/Hz 复用增益。为了更有效地利用现有偏振自由度， 提出了一种针对DP单射频单输入多输出方案的 PolarSK
47、系统。PolarSK 系统中，更多的偏振态被用来提高频谱效率。然而，PolarSK系统只使用一个 DP 发射天线，因此在空间域的可用自由度没有得到很好利用。 图 10 GPSM 发射机框图 为利用空间域和极化域资源，并考虑支持多射频链的 MIMO 方案，提出了一种 GPSM 系统。GPSM 中由有源 DP 发射天线产生极化 19 信号，然后通过射频链放大极化域自由度。为了获得空间域自由度可实现的多路复用增益，对有源 DP 天线进行选择。GPSM 发射机框图如图 10 所示。接收端设计了最优最大似然检测器作为基准来分析GPSM 系统性能极限。目前的研究大多假设接收机知道完全的 CSI。然而，实际
48、系统中由于导频信号长度限制，可能无法实现完全的 CSI获取。因此，设计考虑信道估计误差的 ML 检测器。此外，在 GPSM系统中最优探测器的计算复杂度随着发射天线数量增加而显著增加。因此，在考虑不完全 CSI 的情况下，提出一种线性检测器和一种 SD检测器。在线性探测器中极化域搜索和空间域搜索被分离，以较小的误码性能牺牲显著地降低计算复杂度。特别地，SD 检测器中设计了较小的搜索空间，以保留所有可能的最优候选符号检测，使 SD 检测器达到与 ML 检测器相同的误码性能。 3.3 自适自适应空间应空间散射调制技散射调制技术术 传统的单天线系统中，天线以固定的调制顺序传输信号，随着信道状态的变化和
49、应用需要的最大误码率不同，信号调制顺序无法复制。因此，有必要开发自适应调制算法，实现比使用固定调制的传统方案更高数据速率。 考虑到每次传输中最优调制阶数对应的最优散射数， 提出了两种 ASSM 方案，在不损失信号最终效果性能情况下实现更高数据速率。通过利用可用的信道状态信息， 接收机的自适应单元会计算出最佳候选，并通过低带宽反馈路径将该信息发送给发射机。具体而言，在UTP-ASSM 算法中每个散点对应的是调制顺序最优值的信号，在基 20 于 ASSM 的算法中每个散点对应的是调制顺序最优值相同的信号。上述设计目的主要是应对不同散射点对应不同调制阶值的情况， 具体模型展示在图 11 中。 图 1
50、1 ASSM 的系统模型 3.4 偏振空间散射调制技术偏振空间散射调制技术 PSSM 系统中偏振信号是由一组双极化天线按照 PolarSK 规则产生和传输的。 极化信号按照 SSM 规则被导向散射。 然而， 现有的 SSM 系统中只有单极化天线被使用，而带极化信号的 SSM 系统尚未被研究。因此，有必要探索相应的极化空间散射调制技术。 21 图 12 PSSM 的系统模型 如图 12 所示的 PSSM 系统模型规定两个比特流同时传输，其中一种由偏振态指数传递，另一种由散射团方向传递。通过利用极化域中的可用自由度极大地提高了 SSM 系统频谱效率。 3.5 室内信道三维空间调制技术室内信道三维空
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