面向5G的3D MIMO信道特性及建模研究

摘要

3D MIMO（Three Dimension Multiple Input Multiple Output）技术能同时利用水平与垂直维度，极大地提高了系统容量，是5G的关键技术之一。传统的2D MIMO信道模型假设信号在水平面传播，已不适用于评估3D MIMO技术性能。为了深入地研究与使用3D MIMO技术，需要构建准确的3D MIMO信道模型。针对3D MIMO信道模型，本文主要进行了如下的工作：
　　第一，在2D WINNER模型的基础上引入仰角维度，建立3D MIMO信道模型，并分别推导收发两端的相关矩阵，通过相关矩阵的特征值分解来构建3D Weichselberger信道模型。通过仿真验证了推导的3D Weichselberger信道模型的准确性，并与3D Kronecker信道模型进行了对比，证明了3D Weichselberger信道模型能更准确地反映系统的传播性能。
　　第二，研究了3D Weichselberger信道模型的空间耦合矩阵特性及其与信号传播场景和信道容量的关系，详细分析了六种典型场景的空间耦合矩阵，并通过理论推导分析各种场景下的3D MIMO信道特征。为了均衡复杂度和准确度，基于经典的耦合矩阵结构，提出了一种新型结构的耦合矩阵。最后基于耦合矩阵，推导了可适用在任何传播场景的3D Weichselberger信道模型的互信息容量上限。
　　第三，分析了3D MIMO系统的角度分布对系统性能的影响，对比了高斯分布、拉普拉斯分布、VMF分布下系统的性能，通过仿真证明了能联合描述角度分布的VMF分布最适合用在3D MIMO系统中，而且还着重分析了VMF的集中参数对传播场景中散射体分布的影响。
　　第四，分别深入分析了3D MIMO单用户与多用户系统的信道容量。当天线数增多时， MIMO信道矩阵的维数会增高，计算信道容量的时间也会随之增长。为了降低复杂度，首先利用泰勒级数推导了3D MIMO单用户系统的近似信道容量，然后扩展到多用户系统。最后通过仿真验证了在低信噪比情况下，所推导的近似表达式能准确计算出3D MIMO系统的信道容量，并且多用户系统比单用户系统具有更高的信道容量。

目录

声明

专用术语注释表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究内容

1.3本文结构

第二章 MIMO 信道建模方法

2.1无线信道传输特性

2.2建模方法

2.3 MIMO模型仰角的研究发展

2.4 3D MIMO信道建模研究现状

2.5本章小结

第三章 3D Weichselberger信道模型研究

3.1 3D MIMO系统

3.2 3D Weichselberger模型

3.3耦合矩阵

3.4仿真及结果分析

3.5本章小结

第四章 3D MU-MIMO信道及其容量分析

4.1多种角度分布

4.2信道容量近似计算

4.3仿真分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢