【摘 要】
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随着5G无线通信的发展,接入无线网络的终端设备数目越来越多,移动数据流量呈指数增长,传统的MIMO通信系统无法提供5G通信要求的高频谱效率。Massive MIMO天线技术可以大幅提高通信系统的信道容量和频谱效率,被称为5G的关键技术之一。相比于MIMO系统,Massive MIMO提供了空间域的自由度增益,本文围绕Massive MIMO,在更通用的非各向同性散射传播环境下对阵列尺寸受限的连续阵
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随着5G无线通信的发展,接入无线网络的终端设备数目越来越多,移动数据流量呈指数增长,传统的MIMO通信系统无法提供5G通信要求的高频谱效率。Massive MIMO天线技术可以大幅提高通信系统的信道容量和频谱效率,被称为5G的关键技术之一。相比于MIMO系统,Massive MIMO提供了空间域的自由度增益,本文围绕Massive MIMO,在更通用的非各向同性散射传播环境下对阵列尺寸受限的连续阵列的平均信道空间自由度（Degrees of Freedom）上界进行推导研究。本文首先基于电磁场源理论,提出了空间自由度研究的系统模型,结合有源波动方程的求解,得到一个基于物理的包含阵列空间信息的自由度分析数学模型。其中,我们应用了并矢格林函数求解波动方程,在求解格林函数的数学表达式时,采用了傅里叶积分求解,并提出了一种正规化方法处理积分结果,由格林函数映射得到空间自由度分析的数学模型。然后基于这个模型,我们对空间域的自由度进行了维度分解,对于分解后各维度的自由度,我们提出了一种新颖的角度空间域的分析方法,结合阵列的阵型、尺寸与角度区间的范围,通过积分的定义给出了空间自由度的表达式。最后,我们基于前述的方法,经过数学推导得到了连续线型阵列、连续面型阵列与块型阵列的归一化空间自由度上界的闭式解,并通过工业界的CDL物理信道模型下的数值仿真验证了所得到的结论。本文基于电磁理论,提出了一种新颖的计算阵列空间自由度上界的角度空间域方法,该方法适用于散射角度方向不均匀分布的环境下阵型规则的天线阵列,适用范围更广。基于本文的方法推导得到阵列尺寸受限的连续阵列的空间自由度,可以分析Massive MIMO的极限通信性能。可以通过空间自由度给出尺寸受限阵列的最优天线数目,对实际Massive MIMO通信系统中离散天线阵列的部署具有指导意义。
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