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随着移动智能设备的快速普及和新业务场景的广泛应用,满足更高传输速率、更低时延和更高能耗效率的第五代(Fifth Generation,5G)通信成为当前研究的重点。三维多输入多输出(3DimensionlMIMO,3D MIMO)技术通过采用三维天线阵列,实现对垂直维度的充分利用来达到更高的频谱效率,被认为是5G通信的关键技术之一。不同于4G通信采用2D信道模型,开展5G通信3D信道传输特性和建模研究具有基础意义,因此本文基于多场景下的实际测量和理论分析,进行如下四个方面的研究:1.基于信道测量和数据处理,3D信道传播统计特性的研究。对信道传输特性的准确认知离不开真实的信道测量,本文采用MIMO信道测量平台Sounder和三维天线阵列,开展了多个频点3.5和6 GHz、发端采用32天线阵元的正交极化矩形阵列、收端采用56阵元的正交极化圆柱形阵列、多场景下的实际信道测量,典型的场景包括:室内会议室、室内工作间、微蜂窝室外到室内和宏蜂窝室外到室内等。后续通过数据处理,从接收信号中去除系统影响,获得3D信道冲击响应(Channel Impulse Response,CIR),并利用子空间交替期望最大化(Space-Alternating Generalized Expectation Maximize,SAGE)迭代算法提取多径传播参数,包括时延、功率、水平角、垂直角和信道极化分量等,进行统计分析(如一阶均值和二阶方差)和分布拟合。研究发现多径垂直角服从Laplacian分布,垂直角扩展服从对数正态分布,在短距离视距传输时更高频点6 GHz信号散射更丰富,而在远距离非视距传输时由于路损严重,3.5 GHz信号的收端到达径更多。2.基于实际测量的3D MIMO信道模型精度和性能分析研究。目前,3D信道模型的标准化工作已初步完成,然而3D信道模型的精度和性能缺乏论证。因此,本章基于实际测量和标准化的信道模型,重构2D和3D信道,以信道容量和特征值分布为度量,论证3D信道模拟真实信道的准确性,并研究3D信道相比传统2D信道能够获得的性能增益。研究方法如下:将SAGE提取的多径传播参数和天线的辐射增益带入3D信道模型中,进行3D CIR的重构。同理,基于2D信道模型重构2D CIR。然后,基于测量获取的真实CIR、重构的2D和3D CIR分别计算信道容量和信道空间相关性(Spatial Correlation,SC)的特征值。结果显示,3D信道模型的容量和特征值分布与真实测量的相应结果十分吻合,即3D信道模型能准确模拟真实3D信道。相比传统2D信道,3D MIMO信道容量有显著的提高,容量增益与具体场景相关,且特征值分布更均匀,即各子信道并行传输能力更强。此外,通过对天线结构和位置的建模,文章还分析了不同天线对MIMO系统性能的影响,为天线设计提供参考。3.从信道空间相关性和信道容量的角度,推理2D和3D MIMO的关系和差异。上述从实验测量上验证了 3D MIMO相比传统MIMO的性能优越性,但相关的理论基础和量化差异依然缺乏。因此,为了便于对垂直维度进行分析,本文首次完成了 3D SC在水平和垂直维度的Hardmard分解,并在不同天线辐射增益、不同垂直角度分布时,通过正弦函数近似及贝塞尔函数级数展开,给出了一种通用的3D SC闭式表达式的推理方法,解决了 3D SC推理中多参数分量的双重积分难题。进一步,对比2D和3D信道模型,推理了 2D vs 3D SC的关系式,结果表明:当天线阵元垂直维度间隔为0且多径沿平面波传输时,3D SC退化为2D SC,即2D信道为3D模型的特殊情况。而当天线垂直维度间隔和多径垂直角度扩展增大时,2D和3D SC的差异值随之平方增大,即3D MIMO通过垂直维度的利用能够实现更低SC并获得更高信道容量。最后,从信道容量的角度,给出3D信道容量的宽松界和紧致界:宽松上界为独立同分布(Independent and Indentically Distributed,i.i.d)信道的容量,宽松下界为2D信道容量,而紧致上界和下界则分布在2D信道容量和i.i.d信道容量之间,与天线阵元的垂直间隔和垂直角度扩展相关。4.针对3D MIMO多用户干扰进行研究,并提出基于3D空间分组的干扰消除算法。多用户之间的干扰会严重影响MIMO系统的性能,因此本文分别研究了视距传输和一般传输(包含视距和非视距分量)时单小区内多用户的干扰,推理了视距传输时干扰的一阶中心矩(均值)和二阶中心矩(方差)等统计参量,发现干扰会随着多用户在垂直维度的离散分布而急剧减小。在一般传输时,仿真对比了不同预编码方案、用户距离基站距离、用户之间的空间间隔、多用户的角度分布等对信号与干扰加噪声功率比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)的影响。结果显示,为了抵抗严重的多径传播路损,具有较小覆盖范围的小小区技术十分必要。而在狭小范围内密集的多用户分布会严重降低SINR并影响系统性能,因此本文进一步提出基于3D空间间隔的多用户分组算法,使各组多用户的空间间隔最大化,且各组占用彼此正交的资源块避免组间干扰,因而多用户干扰和系统性能显著改善。综上,本文围绕3D MIMO技术,开展了大量的信道测量和数据处理与分析,并结合理论推导和实验仿真,从信道的传播统计特性、信道容量、特征值分布、2D vs 3D SC及多用户干扰和消除等方面,论述了 3D MIMO信道模型模拟真实信道的准确性和相比传统2D MIMO的性能优势,从实验和理论上为3D MIMO在5G通信中的应用奠定了基础。