面向B5G/6G空-地场景的无人机毫米波通信网络设计与分析

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随着5G的大规模商用部署,B5G和6G研发工作正式启动。由于采用了毫米波技术与大规模多输入多输出技术,当前的5G系统极大地提高了系统容量,并且毫米波开发出了更多的频谱资源以满足数据高速传输的需求。在未来的B5G/6G网络中,要求构建一个空天地一体化网络,无人机由于高机动性、低成本以及三维覆盖能力,将成为构建空天地一体化网络的关键组件。但是当无人机配备毫米波和大规模多输入多输出天线时,为了将信号准确传输给固定用户,无人机基站要求天线必须具有良好的倾斜灵活性,同时由于毫米波通信存在一定的路径损耗,因此需要利用波束成形技术来弥补传输过程中出现的路径损耗。为此,本文对无人机毫米波通信网络中天线倾斜方案以及波束成形方案进行相关研究。主要研究内容如下:(1)在多小区无人机毫米波下行多用户场景中,针对无人机基站覆盖区域内用户的通信质量问题,提出了以最大化系统吞吐量为目标的无人机基站天线倾斜角优化方案。首先,在无人机基站天线数量趋于无穷大的情况下对吞吐量进行优化分析,得到最大吞吐量的渐近表达式。然后,通过迫零预编码技术消除小区间干扰,将吞吐量优化问题进一步细化为天线倾斜角优化问题。最后,通过穷举搜索算法来获得使吞吐量最大的天线阵列倾斜角。仿真研究了无人机基站天线数量、信噪比及地面用户数量对吞吐量的影响,并比较了不同优化方案可获取的系统吞吐量。仿真结果验证了所提方案的有效性,系统可以实现较高的吞吐量。(2)在毫米波大规模多输入多输出系统中,针对小区间干扰与用户间干扰严重限制无人机波束覆盖区域内的系统吞吐量问题,提出了一种基于用户分组优化的低复杂度混合波束成形方案,确保增加系统吞吐量的同时将系统干扰降到最低。首先,通过计算小区干扰信道的零空间生成预编码矩阵,可以有效消除小区间干扰。其次,根据用户信道相关性和用户相关性阈值对用户进行分组,具有强信道相关性的用户被分成一组。最后,为了最大化系统吞吐量,在组中使用低维穷举搜索算法来选择波束成形矢量。提出的算法考虑了前几组用户的影响,可以有效地减轻用户间的干扰。仿真结果表明,对比其他混合波束成形方案,提出的混合波束成形方案在系统吞吐量性能上有较大提升。
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