5G高频段无线信道建模关键理论研究

Starting from typical 5G application scenarios and potential key enabling technologies therein, this project plans to investigate key wireless channel modeling theories for high frequency communications, massive antenna array as well as device to device (D2D) communications in high frequency bands. Currently, the most widely used geometry based stochastic channel models and associated parameterized results are insufficient in characterizing the new channel features accompanied by 5G new transmission technologies. In particular, via stochastic analysis on the channel measurement data collected in relevant sites, this project mainly studies the modeling schemes of significant channel characterizing parameters and their associated statistical distributions in high frequency bands, the hybrid (with ray tracing) parametric stochastic channel modeling methodologies, the ways characterizing the spherical wavefront and the array non-stationarity specific to massive antenna systems, and the modeling approaches of the channel spatial-temporary consistency in D2D dual mobility cases, respectively. The research findings, by themselves having significant theoretical and practical meanings, can lay a solid foundation for the design and the evaluation of relevant algorithms in the context of 5G high frequency wireless transmissions.

本项目从5G应用的主要场景和其中部分关键使能技术出发，研究以高频段无线传输为背景的高频段通信、大规模天线阵列和终端直接通信技术的无线信道建模关键理论。目前应用较广的基于几何架构的随机信道建模策略及其参数化结果并不能完全表征伴随5G场景下新的传输技术出现的信道新特性。基于对相关场景下的无线信道实测数据进行统计分析，本项目主要研究高频段无线信道关键表征参数的建模方法及其统计分布情况、融合射线追踪技术的混合参数随机信道建模方法、大规模天线系统信道球面波前和阵列空间非平稳特征描述策略以及终端直接通信技术中终端双移动条件下的信道空时连续性建模方法等四方面内容。研究结果可为相关算法在5G高频段无线传输背景下的匹配设计和准确性能评估打下坚实的基础，具有非常重要的理论价值和实践意义。

现存信道建模理论对Massive MIMO信道的空间非平稳特性、城市宏小区信道的小尺度参数特性、高速移动场景下全维度参数化信道模型稳定性、NR下行信道的多维跨域资源分配问题、高频段紧凑型平面阵列的渐近分析和波束赋形设计、联合天线选择的能效拓扑优化、有限物理空间下的均匀平面阵列拓扑优化、近场3D非均匀阵列的空间相关性等八个领域描述并不充分。通过本课题的研究，我们提出了相应的解决方案：（1）提出了一种基于9状态马尔科夫链进行簇演进的Massive MIMO统计信道建模方法，建立了能够完整描述Massive MIMO信道非平稳和球面波到达特征的信道模型；（2）基于角度功率谱、多普勒功率谱密度、相关函数、时延功率谱、信道容量和特征值等统计特性，研究了QuaDRiGa、MG5G和NYUSIM三个信道模型的小尺度参数性能及其原因；（3）消除了5G NR系统的高速移动场景带来的多普勒频移影响，基于信道时空分离的特点，提出了一种低复杂度的信道参数提取方法，建立了高精度的全维度参数化信道模型；（4）基于5G-NR协议的MU-MIMO下行链路中，建立了一个包含跨时域、频域和空域的灵活资源调度的资源调度优化问题，设计了场景特定的波束码本，提出了基于贪心算法的低复杂度的资源分配算法；（5）对平面阵列在空间有任意角度旋转时阵元排布位置与Massive MIMO信道容量之间数学关系的表征，实现非均匀普适性平面阵列拓扑优化；（6）从系统容量最大化出发，对配备大规模均匀平面阵列的基站为多用户提供服务的下行链路进行通用系统建模，并利用多对角稀疏Toeplitz耦合矩阵等进行渐近性分析，设计波束赋形；（7）建立了基于基站天线电磁互耦特性的信道建模，以提高紧致平面阵列Massive MIMO系统能量效率为目标，设计了联合天线选择技术的波束赋形；（8）考虑在给定天线阵列部署空间前提下，利用数学工具阐释均匀平面天线阵列的阵元间距、阵元数目与系统容量间的关系，并在此基础上进行阵列拓扑优化。