3D MIMO系统中信道建模与容量研究

摘要

3D MIMO（Three Dimension Multiple Input Multiple Output）系统通过采用三维波束赋形技术增大小区的垂直覆盖范围，从而更有效地避免小区间干扰、增加系统吞吐量、提高频谱效率，是下一代无线通信系统（5G）的关键技术之一。系统物理信道模型通过引入信号传播的俯仰角来建立，但是，该模型受到特定传播场景和需要大量实测数据的限制，不利于信道的理论分析。针对该问题，本文建立了适用于理论研究的基于张量的3D Kronecker相关信道模型，并深入研究了3D MIMO系统容量的近似计算。本文进行了如下的主要工作： 第一：将3D MIMO信道用发射端、接收端和频域中的三维信道状态信息张量来描述，建立了基于三维张量的3D MIMO物理信道模型。接着提出了一种通用的基于耦合的建模框架，即把信道状态信息张量分解为耦合张量、复高斯张量和三个酉矩阵的乘积。最后基于此建模框架，分别推导发射端、接收端和频域的相关矩阵，从而建立基于张量的3D Kronecker信道模型。通过蒙特卡罗仿真，将此模型与物理张量信道模型进行对比，验证了所建模型的准确性。此外还仿真分析了此模型的信道性能。 第二：采用了基于Kronecker积的3D Kronecker信道模型，并把此模型用于3D MIMO遍历容量的近似分析中。基于泰勒级数展开，分别对单用户系统和多用户系统的遍历容量进行近似分析，推导出了对应的近似容量表达式，仿真验证了容量近似的准确性。最后又将近似容量用于多用户调度的问题中，对于经典的最大载干比（Maximum Carrier to Interference,Max C/I）调度算法，提出了一种基于二阶近似容量的新型调度函数，仿真表明，其系统容量能很好地逼近Max C/I调度算法的容量。

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