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物联网、超高清视频、自动驾驶等技术的快速发展,使得移动数据流量极具增长,为了满足更高速率,更低时延与能耗以及更加可靠的多场景通信需求,第五代(Fifth Generation,5G)以及面向2030的第六代(Sixth Generation,6G)移动通信系统已成为当下研究热点。作为移动通信系统的关键技术之一,大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术通过在三维(Three Dimensional,3D)空间部署上百根天线,充分挖掘信道的空间自由度,可以有效提高频谱效率以及信号传输可靠性。本文围绕Massive MIMO技术,重点研究了Massive MIMO信道建模与仿真,Massive MIMO空间角度建模,Massive MIMO 3D空间相关性以及Massive MIMO系统的有利传播条件。具体的研究内容与创新点如下:1.Massive MIMO信道仿真平台搭建与校准。无线信道仿真平台对于通信系统新技术评估,无线网路规划以及MIMO空口(Overthe Air,OTA)测试等场景起着至关重要的作用。基于国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)发布的 5G 信道模型标准ITU-R M.2412,采用MATLAB软件搭建了具有链路级以及系统级仿真能力的Massive MIMO信道仿真平台IMT-2020 CM-BUPT,并详细介绍了平台模块化的设计理念以及具体的信道仿真流程。本文搭建的信道仿真平台支持灵活的MIMO阵列配置,0.5-100 GHz仿真频段,最大10%载频带宽以及多场景多传播状态。此外,为了保证信道仿真平台输出结果的正确性,本文对搭建的平台进行了大尺度参数以及小尺度参数的校准。其中大尺度参数为耦合损耗,小尺度参数为时延,功率,角度以及信道矩阵特征值。校准结果显示,对于同一套仿真参数,IMT-2020 CM-BUPT的输出结果与多家参考平台的结果一致,证明了仿真平台的正确性与可用性。2.Massive MIMO信道多径角度特性研究。多径信号的的角度分布表征了信号在空间传播时的散射情况,其对于信道空间相关性的研究有着重要影响。基于IMT-2020 CM-BUPT在多个场景下的空间角度输出结果,本文研究了多径信号的角度分布。结果显示,多径信号的水平角度服从截断高斯分布,垂直角度服从截断拉普拉斯分布。并且由于垂直维度的散射体较为稀疏,垂直角度扩展值相对较小,角度分布更加集中。此外,针对具有较高角度分辨率的大规模天线阵列,本文实现了对簇内子径更加精细化的建模,即采用随机化的建模方式代替传统的固定参数建模方式,此时簇内子径的时延,功率以及角度偏移都是随机生成的,不同簇的簇内统计特性存在差异,从而使得仿真平台输出信道更加逼近真实传播环境。3.Massive MIMO信道3D空间相关性研究。信道的空间相关性对于MIMO技术的实际应用,比如空间复用,波束赋形等起着重要的指导作用。然而现有对于3D空间相关性的研究大都对角度分布进行了理想假设,即认为多径角度服从均匀分布或空间角度扩展很小,这些假设与真实传播场景存在差异。为了更加逼近真实传播环境,本文基于标准化的3D MIMO信道模型,推导了实际角度分布下的3D空间相关性闭式表达式。所谓的实际角度分布,即水平角度服从截断高斯分布,垂直角度服从截断拉普拉斯分布。根据推导所得的闭式表达式,本文研究了不同维度的角度分布以及天线阵列对3D相关性的影响。结果显示,较大的角度扩展以及较大的天线间隔可以有效降低空间相关性,且水平维度的角度分布对相关性的影响较垂直维度更加明显。4.Massive MIMO系统实际角度分布下有利传播研究。有利传播是Massive MIMO系统的关键假设,其被定义为不同用户向量之间的相互正交。目前绝大部分关于有利传播的研究都是基于理想瑞利信道的假设,且只考虑了信道的水平维度。然而真实的传播场景是三维的,环境中的散射体也难以服从均匀分布。鉴于此,本文基于标准化的3D MIMO信道模型,通过理论推演证明了截断高斯-拉普拉斯以及冯米塞斯-拉普拉斯角度分布下的有利传播条件。此外,均匀分布下的有利传播条件被证明是实际角度分布角度扩展趋于无穷大时的特例。基于推导所得的有利传播条件的期望与方差表达式,本文研究了不同维度的角度扩展以及天线阵列对有利传播的影响。结果显示,角度扩展越大,有利传播越容易满足,且水平维度的角度扩展对有利传播的影响较垂直维度更加明显。此外,在实际工程部署中,当空间受限时,本文推荐选用阵元间隔为半波长且尺寸更为紧凑的UPA阵列。考虑到实际的Massive MIMO系统天线数总是有限的,为了研究天线数受限的情况下,实际信道与有利传播信道的接近程度,本文对比不同场景下信道矩阵的特征值扩展以及容量差异比。结果显示,在相同天线数的情况下,散射环境越丰富,实际信道越接近有利传播信道,且当天线数大于用户数的10倍时,实际信道容量性能可以达到理想瑞利信道的90%以上。综上,本文针对Massive MIMO技术,搭建并校准了 5G Massive MIMO信道仿真平台,并基于该平台生成的不同场景下的角度参数,研究了多径信号的空间角度分布以及大规模阵列下簇内子径建模方法。接着,根据多径信号的空间角度分布,推导分析了实际角度分布下的3D空间相关性以及Massive MIMO系统有利传播条件,并研究了角度扩展以及天线阵列对其影响,从理论和实验上为Massive MIMO系统的部署与应用奠定了基础。