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基于可重构OTA装置的非平稳多维无线信道重构模型与应用性能分析

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电子学报 2023年 2935-2944页

作者：刘元安王卫民张震王珩高华强奥尔堡大学电子系统系天线传播和毫米波系统实验室北京邮电大学电子工程学院安全生产智能监控北京市重点实验室

大规模多入多出（massive MIMO）天线阵列是5G及下一代移动通信的关键使能技术，可靠可信可行且可按需灵活构建的室内多维度性能测试与验证对推动massive MIMO系统技术的基础理论研究、关键技术突破和商用部署至关重要.为了进行大规模M... 详细信息

大规模多入多出（massive MIMO）天线阵列是5G及下一代移动通信的关键使能技术，可靠可信可行且可按需灵活构建的室内多维度性能测试与验证对推动massive MIMO系统技术的基础理论研究、关键技术突破和商用部署至关重要.为了进行大规模MIMO设备的技术验证、场景完备性测试与技术缺陷评估，发展真实可靠的室内模拟性能测试方法至关重要，其核心挑战是如何为待测设备（Device Under Test,DUT）在测试装置中重建丰富、完备的目标电波传播环境.本文在早期提出的虚拟探头快速位置优化方法及其探头权重计算闭式解和不同信道场景下精确多维度信道重构工作的基础上，提出了一种基于可重构OTA装置的非平稳多维无线信道重构方法，为DUT测试提供了拟真的目标非平稳多维无线信道重构机制，能够有效克服传统多探头微波暗室法（Multi-Probe Anechoic Chamber,MPAC）、辐射两步法（Radiated Two Stage,RTS）以及混响室法（Reverberation Chamber,RC）等三种方法难以满足工作于动态信道环境中大规模MIMO天线系统及其波束性能功能描述问题.本文引进可构建不同比特（bit）数的移相器，重构信道空间谱变化，可开展最大空间相关性误差、加权空间相关性均方根误差（weighted root mean square correlation error）、空间功率角度谱（PAS）相似性（PAS similarity）和固定波束功率损失（fixed beam power loss）评估.本文通过全场景多维度信道重构环境分析表明，4 bit精度移相器可以在保证最佳成本效益的前提下，为室外场景的室内近真实重构提供理想精度的相位矩阵，这也为量化分析移相器误差对虚拟OTA方法影响提供了理论基础和技术途径.本文通过迄今为止未见报道的移相器分辨率因素引入，为传统的相位矩阵虚拟OTA测试装置用于真实复杂电磁传播环境massive MIMO无线设备及其模拟重构，通过相控矩阵调节DUT中各个天线单元的相位响应，模拟探头天线辐射电磁波在自由空间中的传播变化，仿真自适应massive MIMO核心指标与验证，提供了一种有效方法，达成了实际应用场景的信道重构.此外，实验还表明，在虚拟探头数量足够多的情况下，3 bit移相器也能够提供较为理想的信道重构性能，可指导用于室内装置的移相器选择以及低复杂度相控矩阵构建，同时本文也指出虽然4 bit移相器已经能够提供精确信道重构，但也可以选择5 bit移相器提供1 bit安全冗余.进一步，为深入验证本文结果对非标准测量信道场景重构的有效性，本文重构了一个射线追踪模型的动态信道环境，同时，该模型信道在多个空间位置的精确重构也证明了本文方法的广泛适用性与可行性.

关键词：大规模多输入多输出信道重构空口测试相位矩阵

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基于预衰落合成法的高效信道重构算法研究

基于预衰落合成法的高效信道重构算法研究

作者：孙浩北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,随着5G商业化的大力推进,5G大规模多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)天线设备的市场占有率逐渐提升。与此同时,大规模MIMO技术的提出给5G设备的测试带来了新的难题,进一步制约了 5G设备的推广和量产。因此,暗室多... 详细信息

近年来,随着5G商业化的大力推进,5G大规模多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)天线设备的市场占有率逐渐提升。与此同时,大规模MIMO技术的提出给5G设备的测试带来了新的难题,进一步制约了 5G设备的推广和量产。因此,暗室多探头法作为能够在理论上复现任意目标信道的MIMO设备空口测试(Over-the-Air testing,OTA testing)方案,已经成为业界研究的重点。预衰落合成法是暗室多探头法中重要的信道重构技术,它的主要思想在于利用有限数量的探头,在测试区域内部合成目标信道的空间特性。然而,由于5G设备的新特性,导致了预衰落合成法在信道重构方面存在着新的挑战。因此,本文分别从效率和精度这两个方面,对预衰落合成法进行了研究。首先,暗室多探头法一个重要的挑战就是降低系统成本。由于系统中的每一个探头需要连接到昂贵的信道模拟器上,过多的探头数量会大幅提高系统成本,因此需要进行探头选择来减少系统中所需探头的数量。然而,在5G MIMO OTA测试中,由于备选探头数量的增加,导致探头选择算法的复杂度大幅上升,严重影响了信道重构的效率。本文提出了一个高效的探头选择算法,相较于主流的凸优化算法能够大幅减小计算复杂度。算法的主要思想是通过计算目标问题的梯度,并利用动量梯度下降来进行探头权重的优化。为了在迭代的同时进行探头的选择,该算法在目标函数中加入了正则化函数。并通过在迭代过程中对参数的动态调整,保证了算法的结果精度和收敛速度。经过理论分析和仿真对比发现,本算法具有更小的复杂度和更高的准确性,能够大幅度提高的预衰落合成法的信道重构效率。其次,预衰落合成法的目的是在测试区域内部精确复现目标信道的空间相关性。在以往文献中,通常从统计平均的角度进行测试区域内部空间相关性的推导。然而在实际的测试中,由于信道模拟器中的每一个随机参数都是提前设置好的,信道模拟器生成的信道时间序列固定不变。因此,文献中基于统计平均的假设不成立,导致测试区域内部合成的空间相关性存在误差。本文首先基于时间平均的角度对目标信道和OTA信道的空时联合相关性进行公式推导和理论分析。公式推导结果显示,空时联合相关性是由信道模型中子径的初始相位决定的。基于此,本文提出了一种基于离散傅里叶变换矩阵的信道改进方法,能够消除传统预衰落合成法中空间相关性合成误差的问题。该方法的主要思想是利用了离散傅里叶变换矩阵的正交性,将矩阵中各个列向量作为信道模型中子径的初始相位。仿真结果表明,相较于传统预衰落合成法,该方法能够大幅提升信道重构的精度。

关键词：空口测试暗室多探头法预衰落合成法信道重构

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FDD大规模MIMO系统下行信道重构方法

FDD大规模MIMO系统下行信道重构方法

作者：谢松伯中国科学技术大学

学位级别：硕士

频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)蜂窝网络中,基站需要提前获知各个用户的信道状态信息(Channel State Information,CSI)以实现发射端波束赋形。但由于上下行信道部署在不同频段而不具有互易性,需要额外消耗与基站天线数成正比的时频资源做下行信道估计,故降低下行CSI获取代价已成为系统设计的一个关键问题。围绕降低FDD大规模MIMO系统下行CSI估计开销的问题,本文重点关注通过上行CSI重构下行CSI的方法。本文首先聚焦FDD系统上下行信道的相关性,总结和分析了已有基于空间角度、信道协方差矩阵的部分参数重构方案的性能。在此基础上针对视距(Line of Sight,LOS)和非视距(Non-Line of Sight,NLOS)两类不同的信道,分别提出了相应的信道重构方案。LOS场景中,上下行信道的空间互易性较强、信道路径较为稀疏,基于这些特点我们提出了基于相干子信道模型的重构方案。采用传统几何信道建模的思想,通过多径参数的估计获得上下行CSI间的映射关系,该方案具有实时性高、性能优良和部署简单等特点。NLOS场景中,无线信道的空间复杂度大大增加,依赖于信道路径参数估计的方案性能急剧下降。CSI矩阵中的每个元素都是连续的,这与图像中像素的性质非常类似。我们把CSI矩阵转换为图像,利用当前最流行的深度学习算法解决CSI的重构问题。该方案的优点是具有较好的重构性能,特别是在复杂的多径场景下的NLOS信道中对系统性能的提升相对更为明显,其缺点是算法实施复杂度相比传统方案更高。本文分析了FDD大规模MIMO系统上下行信道的相关性,并结合实际系统中存在的两种信道类型提出了相应的下行CSI重构方案。为FDD大规模MIMO信道建模和系统设计提供了可能的思路和参考。

关键词：大规模MIMO 频分双工信道重构信道建模深度学习

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基于迂回方式的继电保护信道重构技术

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2010年第4期32卷 579-582页

作者：鲍晓慧武汉理工大学软科学研究所湖北武汉430070

由于极端气候条件的破坏,通信通道受损,会导致纵联主保护退出运行,因而严重危及主电网的安全稳定运行。针对极端自然灾害状态下通信通道被损毁的情况,提出了一种利用健全通信链路、通过迂回方式进行继电保护信道重构的新技术。研究了迂... 详细信息

由于极端气候条件的破坏,通信通道受损,会导致纵联主保护退出运行,因而严重危及主电网的安全稳定运行。针对极端自然灾害状态下通信通道被损毁的情况,提出了一种利用健全通信链路、通过迂回方式进行继电保护信道重构的新技术。研究了迂回通信方式的原理,提出了一种基于最短路径的迂回路由算法。结果表明,信道重构技术可以提高继电保护抵御各种自然灾害的能力。

关键词：迂回通信信道重构最短路径

面向大规模天线空口测试的毫米波信道高效重构方法研究

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面向大规模天线空口测试的毫米波信道高效重构方法研究

作者：王雨斐北京邮电大学

学位级别：硕士

随着第五代(5th-Generation,5G)移动通信的飞速发展,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术已成为5G的关键技术之一,为进一步推进大规模MIMO设备量产与商用,如何高效、便捷地对其进行性能测试是一个迫切需要解... 详细信息

随着第五代(5th-Generation,5G)移动通信的飞速发展,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术已成为5G的关键技术之一,为进一步推进大规模MIMO设备量产与商用,如何高效、便捷地对其进行性能测试是一个迫切需要解决的问题。目前业界公认的一种主流空口(Over-the-Air,OTA)测试方案是微波暗室多探头(Multi-Probe Anechoic Chamber,MPAC)方法,该方法的基本原理是通过给暗室探头墙上有限的探头分配不同的功率权重,从而在暗室中的测试区域内创建所需的辐射传播环境。由于毫米波通信中信道多为动态信道,且依赖于波束管理的相关性能,这两大特点为基于MPAC方法的信道重构带来全新的挑战。包括如何选择可以表征毫米波信道波束特点的重构准则,以及如何进行快速的探头权重优化以匹配毫米波信道的时变特性。因此,本文将分别从毫米波信道重构准则选择及探头权重快速优化算法两个方面来进行基于大规模MIMO空口测试的毫米波信道重构方法研究,从而提高MPAC方法中毫米波信道的重构精度和重构效率。首先,毫米波信道重构准则的选择直接影响了以此为标准的重构信道的空间特性是否与目标信道尽可能一致。由于真实的毫米波信道一般包含多个功率不同的簇,当选择分辨率较低的空间谱作为重构准则进行信道重构时,将会导致多簇场景下的重构信道的到达角(Direction of Arrival,DoA)分辨率降低,即重构信道空间特性与目标信道空间特性间的误差较大,严重影响了毫米波信道的重构精度。因此本文提出了一种基于多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法形成的高精度MUSIC谱的信道重构方案,该方案以最小化重构信道与目标信道之间的MUSIC谱误差为目标进行优化目标函数的建立,并通过目标MUSIC谱对最终的探头位置选择进行限制,以保证重构信道DoA估计的结果与目标信道一致,从而保证在暗室的测试区域中进行目标信道空间特性的精准复现。经过理论分析及仿真对比可验证,本文所提方案能够有效提高多簇场景下重构信道的DoA分辨率,进而提高毫米波信道的重构精度。另外,本文进行了参与信道重构的探头数量对基于MUSIC谱信道重构精度的研究,通过仿真分析说明,对于参与信道重构的探头数量的选择,应综合考虑目标信道簇的个数以及系统成本。其次,由于毫米波信道是一个动态的时变信道,且具备波束赋形的特点,因此需要高效的探头权重优化算法与之适配,以进行时变信道的快速重构。多快照迭代(Multi-shot)算法是经典的探头位置选择与权重优化算法,在大规模MIMOOTA系统中,由于三维扇形探头墙的应用,该算法的复杂度大幅度上升,较大程度降低了信道重构的效率。现有的快速探头权重优化算法虽然较大程度上提高了信道重构效率,却导致重构信道的精度严重降低,因此迫切需要一种可兼顾重构效率与精度的快速探头权重优化算法以进行毫米波信道的高效率、高精度重构。本文提出了一种基于空间谱直接抽样的探头权重优化算法,利用选定探头位置对应的空间谱数值进行探头权重的计算,避免了复杂的凸优化过程,有效提高探头权重的优化效率,同时可保证求解的探头权重满足约束条件,从而使得重构信道的空时特性与目标信道尽可能一致,以满足在保证毫米波信道重构精度的基础上大幅度提升重构效率。实验仿真结果表明,本文所提算法相较于传统的Multi-shot算法与现有的探头权重快速优化算法,能够兼顾重构信道的重构效率和精度,为毫米波信道的高效、高精度重构奠定了良好的理论基础。

关键词：空口测试毫米波信道信道重构暗室多探头法空间谱

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移动场景下的智能信道预测方法

信号处理 2022年第8期38卷 1579-1591页

作者：何世文黄凤青安振宇王良鹏熊绍文中南大学计算机学院湖南长沙410083 东南大学移动通信国家重点实验室江苏南京210096 网络通信与安全紫金山实验室江苏南京210096

针对无线通信信道估计老化问题,本文提出了一种基于卷积神经网络的信道预测方法,该方法通过联合轨迹预测和信道重构实现。首先,采用卷积神经网络学习从规划路线和移动终端所在位置到移动方向映射,进而预测出轨迹上多个目标位置;其次,采... 详细信息

针对无线通信信道估计老化问题,本文提出了一种基于卷积神经网络的信道预测方法,该方法通过联合轨迹预测和信道重构实现。首先,采用卷积神经网络学习从规划路线和移动终端所在位置到移动方向映射,进而预测出轨迹上多个目标位置;其次,采用卷积神经网络学习从目标位置附近K个位置项的信道,到目标位置信道间映射,用于实现预测轨迹的信道估计。本文利用Wireless InSite为移动方向预测和信道重构模型的训练及测试生成充足的样本,包括规划路线和通过射线跟踪方法获取的信道等。仿真结果表明,本文所提出的方法能有效地估计目标位置的信道特性,与K值较小的K-近邻插值方法和基于全连接神经网络的信道预测方法相比,其信道估计总相对误差更低且鲁棒性较好。

关键词：信道预测移动方向预测信道重构卷积神经网络

FDD大规模MIMO系统信道外推关键技术研究

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FDD大规模MIMO系统信道外推关键技术研究

作者：顾芷西东南大学

学位级别：硕士

快速兴起的移动社交网络与移动多媒体业务等业务对数据传输速率的提高和应用类型多样化的实现提出了更加严格的要求,因而为了满足用户日益严苛的移动通信需求,大规模多输入多输出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术顺势而生。... 详细信息

快速兴起的移动社交网络与移动多媒体业务等业务对数据传输速率的提高和应用类型多样化的实现提出了更加严格的要求,因而为了满足用户日益严苛的移动通信需求,大规模多输入多输出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术顺势而生。频分双工(FDD,Frequency Division Duplex)是移动通信系统中应用最广泛的双工模式之一,然而大规模MIMO的使用给FDD系统的下行信道状态信息(CSI,Channel State Information)估计带来了挑战。由于FDD系统缺乏上下行链路的信息互易性,因而下行CSI通常通过下行导频训练与反馈获得,但是大规模MIMO的基站(BS,Base Station)无法为大量天线端口设计完全正交的导频,因此必须有新的思路来解决这个问题。针对上述问题,本论文将从信道估计方法的复杂度、下行链路重构所需的导频开销、双极化系统的信道特性与多用户场景下的信道特性等方面研究低开销的大规模MIMO系统无线传输理论与关键技术,同时为大规模MIMO技术现有的问题寻求解决方案。首先,介绍MIMO系统原理并对现有信道重构方法进行调研。对无线信道的基本模型、MIMO系统概念与正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术原理进行详细介绍,并对当前FDD模式下的信道重构与信道外推方法进行调研与总结,指出FDD模式下下行链路信道重构复杂度高、导频开销大等问题,为后续研究面向双极化天线系统与多用户场景下MIMO系统的信道重构方法设计奠定基础。其次,面向双极化MIMO系统,研究基于极化无关特性的信道重构方法,提出一种基于传播路径的数目、时延和波达角等具有极化无关特性CSI的双极化信道外推方案。该方案依据不同极化方向信道之间的空间相似特性,首先用户在初始极化方向发射大量导频,BS采用牛顿正交匹配追踪算法(NOMP,Newtonized Orthogonal Matching Pursuit)估计得出该极化方向信道的极化无关参数;接着,利用少量导频对外推信道的极化无关参数进行细化,重构其它极化方向的信道;并进一步考虑不同极化方向下信道非完美互易的情况,设计基于每条路径能量进行外推补偿的方法。仿真结果表明:极化外推信道重构方法具有有效性与成本节约性,同时实测数据的验证显示该方案在NLoS传播环境中也能够得到很好的应用。随后,面向多用户场景下的大规模MIMO系统,研究基于邻近用户信道空间相似特性的信道重构方法,设计一种包含用户调度模块与用户外推模块的用户上行信道外推方案。在第一个用户调度模块中,通过比较用户上行信道方向图的相似度对小区内用户进行分组,将邻近用户聚类为一组,具有高灵活度,在后续的第二个用户外推模块中,依据模块一的用户调度结果来进行各小组独立的用户外推;模块二首先用NOMP算法精确估计本组内的初始用户信道,接着由初始用户估计结果衍生出小尺寸字典,然后用一半的导频在小尺寸字典内外推出本组内其余用户的CSI,并依据这些CSI参数重构外推用户的上行信道。仿真结果表明:本用户外推方案在较低计算复杂度和较小导频开销的情况下,能够有效地重构多用户信道,并且在小区内用户规模较大且用户间距离较大场景下也具有良好的性能。最后,面向FDD多天线系统,研究低开销的下行链路重构方法,提出一种基于FDD模式中上下行链路间空间互易性的下行CSI优化与量化反馈方法。首先利用NOMP算法在上行链路完成频率无关性参数的估计,包括每条路径的时延和角度,并将它们量化至NOMP算法中过采样码本的格子点上,从而作为初始参数;接着仅用少量接收天线传输下行训练导频及上行链路CSI的估计结果,并根据用户端的下行接收信号对初始参数进行优化;最后设计一种基于过采样码本的高精度量化方法,在用户端对各路径的时延、波达角和增益分别进行量化,最后将结果告知BS,在BS端完成下行链路的重构。仿真结果表明:所提带量化反馈方法的下行链路重构方案具有优异的信道重构性能,并且它能适应上下行链路CSI存在差异的显示通信场景,在实际应用中具有可用性。

关键词：大规模MIMO 信道重构双极化天线系统多用户场景 FDD模式

5G系统性能测试中的高动态信道建模方法与验证

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5G系统性能测试中的高动态信道建模方法与验证

作者：康亚男北京邮电大学

学位级别：硕士

随着波束赋形等技术的快速发展,支持高动态场景下的高质量通信成为5G产品需要实现的重要功能之一。高动态是一种用户具有高速移动性的通信场景,为保证高动态场景下的用户通信质量,需要对产品进行系统性能测试c测试方法主要包括传导测试... 详细信息

随着波束赋形等技术的快速发展,支持高动态场景下的高质量通信成为5G产品需要实现的重要功能之一。高动态是一种用户具有高速移动性的通信场景,为保证高动态场景下的用户通信质量,需要对产品进行系统性能测试c测试方法主要包括传导测试和空口(Over The Air,OTA)测试两种,其中传导测试需要射频线直连射频端口,无法实现被测物的整机性能测试,因此业内主要的研究重点为OTA测试。OTA测试有许多方法,其中多探头微波暗室法(Multi-Probe Anechoic Chamber,MPAC)能够对已建立好的信道模型进行信道重构,重构精度和可控性较高,被多家组织推荐为OTA测试的标准方法。然而,目前的OTA系统性能测试主要是基于参数不具有时变性的信道进行的,尚未提出适用于高动态场景下系统性能测试的模型及方法。基于这种背景条件,本文对适用于5G系统性能测试的高动态场景下的信道建模、模型验证和OTA系统性能测试中的信道重构方法展开研究,主要内容包括以下三个方面:1.研究高动态场景下的信道建模方法,并提出三种测试可用的场景,完成三种场景下的信道建模和模型适用性、正确性的验证。首先分析高动态场景中的信道传播特点,在基于几何的随机信道建模方法(Geometry-Based Stochastic Models,GBSM)的基础上,引入信道特征参数的空间一致性,提出三种典型高动态场景下的信道模型。而后,利用简单易行的传导测试系统,对三种高动态场景下建立的信道模型进行验证。2.高动态场景下基于平面波合成法(Plane Wave Synthesis,PWS)的简化信道重构方法的研究。为选择一种适用于高动态场景下信道模型的重构方法,首先对目前常用的两种信道重构方法进行对比,确定选择重构精度较高的PWS作为基本方法。由于高动态场景中用户位置的离散采样点的样本过大导致计算复杂度较高,因此本文基于PWS方法,提出简化的平面波合成法(Simplify Plane Wave Synthesis,SPWS),测试区每个采样点的目标信道用测试区内中心点上的目标信道代替,实现较快速度的信道重构仿真。3.基于SPWS方法实现高动态场景下暗室探头权重快速计算的方法研究。将用户位置采样点进行二次采样,一部分采样点位置上的探头权重通过SPWS信道重构进行计算,另一部分采样点的探头权重利用插值算法根据已知的探头权重进行预测,提升高动态场景下探头权重的计算速度。最后,为方便用户选择不同的场景进行信道重构和探头权重的计算,将以上算法进行封装,实现用户交互。

关键词： 5G 高动态场景 OTA测试信道重构插值算法

基于SIC的单通道同频混合信号低复杂度盲分离算法

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信号处理 2015年第7期31卷 860-866页

作者：郭一鸣杨勇张冬玲彭华解放军信息工程大学信息系统工程学院河南郑州450002

针对非协作通信中单通道同频混合信号盲分离算法复杂度高的问题,本文在连续干扰抵消(Serial Interference Cancellation,SIC)算法基础上,构建了单通道同频混合信号的信道接收模型,提出了基于SIC的低复杂度盲分离算法。并对信道重构中的... 详细信息

针对非协作通信中单通道同频混合信号盲分离算法复杂度高的问题,本文在连续干扰抵消(Serial Interference Cancellation,SIC)算法基础上,构建了单通道同频混合信号的信道接收模型,提出了基于SIC的低复杂度盲分离算法。并对信道重构中的信道截断影响进行了处理,避免了分离性能的损失。仿真结果表明,QPSK调制方式下分离性能与已有算法性能相当,但复杂度降低了2/3,且算法对频偏误差不敏感。

关键词：单通道盲分离连续干扰抵消信道重构低复杂度