毫米波MIMO系统的信道传播特性分析及获取技术研究

作     者：李元稳 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李春国

授予年度：2016年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 

主      题：毫米波MIMO IEEE 802.11aj(45GHz) 信道传播特性 信道状态信息反馈 混合波束成形 

摘      要：随着移动智能终端的普及,现有6GHz以下频段无线通信已无法满足快速增长的数据流量需求。毫米波频段因其大量的频带资源优势,成为实现10Gbps吞吐量的室内无线局域网和第五代移动通信(5G)的关键频段,得到了工业界专家学者们的关注与研究。为进一步提高系统吞吐量并支持多流传输,毫米波通信将采用多输入多输出(MIMO)技术。因此,明确毫米波MIMO系统的信道特性并据此研究信道状态信息的获取技术,是有效利用毫米波大带宽实现高频谱效率和广覆盖通信的前提。本文的主要工作和创新点总结如下：首先,本文详细阐述了首个毫米波MIMO无线局域网标准IEEE 802.11aj(45GHz)的物理层和MAC层技术,重点介绍了物理层数据包结构、SC PHY和OFDM PHY的发射流程及其关键模块、MAC层的基本帧格式和信道接入机制,为后续章节的研究奠定了基础。其次,本文深入的分析了信道特性。研究了毫米波的传播损耗和45GHz频段的MIMO信道模型,详细分析了LOS和NLOS信道的SNR和容量随传播距离的变化、信道的稀疏性和传播特点。进一步从条件数和等效自由度分析了LOS MIMO系统的等效信道特性,仿真表明子阵列间距可稍大于最佳值,增加子阵列天线数可以有效提高等效信道的等效自由度。第三,本文设计了IEEE 802.11aj(45GHz)中的信道状态信息反馈机制。根据信道特点设计了信道状态信息的反馈与重构格式,随后基于反馈格式设计了信道探测的数据包结构和反馈报告帧格式,并通过系统级仿真结果为IEEE 802.11aj(45GHz)选取了角度量化和子载波分组反馈的参数,有效降低了系统的反馈开销。最后,本文研究了多用户毫米波MIMO系统的混合波束成形方案。在分析混合波束成形架构的基础上,提出了适用于短距离无线局域网传输的多用户分离子阵列混合波束成形架构,进而提出了一种基于信道互易性的混合波束成形方案及其模拟部分的DFT码字训练方法。仿真结果表明所提方案优于现有文献方案,且可以获得接近最优不受限数字波束成形方案的性能。模拟部分的DFT码字训练方法收敛快,总训练开销远低于现有文献方法。