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超大规模天线技术研究报告[2021-11-25](122页).pdf
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超大规模天线技术研究报告[2021-11-25](122页).pdf
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2021 年 9 月
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© 2021 IMT-2030(6G)推进组版权所有
I
目 录
第一章 背景 .............................................................................................................. 1
概述 ....................................................................................................................... 1
部署场景 ............................................................................................................... 1
第二章 性能指标 ........................................................................................................ 8
频谱效率 ............................................................................................................... 8
移动速度 ............................................................................................................... 9
能量效率 ............................................................................................................. 10
小区级最大并发数据流数 .................................................................................. 11
第三章 新型应用 ...................................................................................................... 12
立体覆盖增强 ..................................................................................................... 12
高速以及超高速移动覆盖 .................................................................................. 21
空间精确定位与感知 ......................................................................................... 24
第四章 关键技术 ...................................................................................................... 32
信道建模 ............................................................................................................. 32
波束管理 ............................................................................................................. 35
发射端处理技术 ................................................................................................. 43
第五章 新技术 .......................................................................................................... 49
深度学习与人工智能 ......................................................................................... 49
第六章 天线结构与部署方式 ................................................................................... 61
分布式超大规模天线 ......................................................................................... 61
模块化天线 ......................................................................................................... 69
智能超表面 ......................................................................................................... 69
智能中继 ............................................................................................................. 79
终端新型天线结构 ............................................................................................. 90
平面透射表面相控阵 ......................................................................................... 92
稀疏阵列天线架构 ............................................................................................. 98
第七章 总结 ............................................................................................................ 104
参考文献 .................................................................................................................. 105
缩略语 ...................................................................................................................... 108
主要贡献单位............................................................................................................ 113
II
图目录
图 2-1 宏蜂窝覆盖的典型网络拓扑 ................................................................................. 3
图 2-2 居民楼和会议室的示意图 ..................................................................................... 3
图 2-3 火车站和体育馆示意图 ......................................................................................... 4
图 2-4 室外场景示意图 ..................................................................................................... 4
图 3-1 64 通道、192 天线振子的天线阵列结构示意图 ................................................. 12
图 3-2 基站塔顶弱覆盖区示意图 ................................................................................... 14
图 3-3 系留无人机实现高空基站 ................................................................................... 15
图 3-4 28GHz 毫米波大规模阵列一条射频通道的架构 ................................................. 16
图 3-5 基于移相网络的混合子阵架构一般化模型 ........................................................ 16
图 3-6 N
sub
=2 时图 3-5 所示阵列在垂直面上扫描的方向图 ......................................... 17
图 3-7 图 3-5 所 示 阵 列 在 垂 直 面 上 扫 描 时 的 垂 直 面 方 向 图 (a) N=192,N
sub
=1; (b)
N=192,N
sub
=3 ..................................................................................................................... 17
图 3-8 (a) 全数字架构; (b) 基于移相网络的混合全连接架构; (c) 基于开关网络的混合全
连接架构 ........................................................................................................................... 19
图 3-9 不同架构功耗随天线数目变化曲线 .................................................................... 19
图 3-10 垂直方向不同子阵划分情况的功耗和基于开关网络的混合全连接架构功耗的比
较 ....................................................................................................................................... 20
图 3-11 (a) 毫米波小型化天线;(b)天线性能 ........................................................ 21
图 3-12 不同相邻小型化天线单元间距对阵列增益的影响 .......................................... 21
图 3-13 HST 场景基站部署示意图 .................................................................................. 22
图 3-14 城市峡谷 GNSS 定位场景 ................................................................................. 25
图 3-15 信号非视距传播对 GNSS 定位性能的影响 ...................................................... 25
图 3-16 城市路口 GNSS 定位场景 ................................................................................. 26
图 3-17 (a)传统多边定位模型,(b)超大规模天线定位模型 .......................................... 27
图 3-18 基于超大规模天线系统的航向/姿态测量 ......................................................... 27
图 3-19 基于超大规模天线系统的三维定位 .................................................................. 28
图 3-20 超大规模天线+GNSS 系统位置服务覆盖 ......................................................... 29
图 3-21 城市峡谷超大规模天线+GNSS 定位场景 ......................................................... 30
图 3-22 城市路口超大规模天线+GNSS 定位场景 ......................................................... 30
图 3-23 超大规模天线+GNSS 系统高精度三维定位 ..................................................... 31
图 4-1 3GPP 大规模天线信道参数生成过程
[12]
............................................................. 33
图 4-2 电磁波波前示意图 ............................................................................................... 34
图 4-3 波束管理示意图 ................................................................................................... 35
图 4-4 多用户场景下的波束管理 ................................................................................... 37
III
图 4-5 基于分级的波束扫描策略 ................................................................................... 37
图 4-6 站点 STA 波束训练与追踪场景(阴影部分表示波束 a
1
的半功率衰减波瓣) 39
图 4-7 高速移动场景下的波束管理 ............................................................................... 40
图 4-8 移动场景下的用户位置建模 ............................................................................... 40
图 4-9 太赫兹信号到达角测量场景 ............................................................................... 41
图 4-10 不同频率进行试验采集到的角度功率谱 .......................................................... 42
图 4-11 基于压缩感知的波束训练方法 .......................................................................... 42
图 4-12 多用户全数字预编码系统模型图 ...................................................................... 44
图 4-13 基于透镜的超大规模天线阵列系统 .................................................................. 48
图 5-2 信道训练的多层神经网络架构 ........................................................................... 51
图 5-3 不等间隔信道状态信息反馈的配置 .................................................................... 52
图 5-4 神经网络用于 DMRS 估计的结构示意图 ........................................................... 53
图 5-5 激活函数示意图 ................................................................................................... 54
图 5-6 神经网络的训练效果 ........................................................................................... 55
图 5-7 基于神经网络的 CSI 反馈示意图 ....................................................................... 57
图 5-8 不同基站天线数下单个样本的稀疏性 ................................................................ 60
图 6-1 热点区域部署方式 ............................................................................................... 62
图 6-2 室内密集区域部署方式 ....................................................................................... 62
图 6-3 偏远山区部署方式 ............................................................................................... 62
图 6-4 高速移动场景部署方式 ....................................................................................... 63
图 6-5 无线条带系统
[21]
.................................................................................................. 63
图 6-6 无线条带系统潜在应用场景及部署方式 ............................................................ 63
图 6-7 下行数据传输处理过程 ....................................................................................... 66
图 6-8 基站间信息交互方式 ........................................................................................... 67
图 6-9 超单元组成的超表面,其中黑色方框为超单元 ................................................ 70
图 6-10 超单元结构简图 ................................................................................................. 71
图 6-11 超单元反射系数与有源器件两端电压、入射电磁波频率之间的关系
[26]
....... 71
图 6-12 广义反射定律示意图
[28]
..................................................................................... 71
图 6-13 分界面为超表面时,入射电磁波与反射电磁波的关系 ................................... 72
图 6-14 超表面的两种结构 ............................................................................................. 73
图 6-15 超表面辅助的下行链路模型 ............................................................................. 73
图 6-16 超表面辅助下行链路仿真模型.......................................................................... 75
图 6-17 用户平均接收功率与超表面、超单元数量 N、超单元反射系数相位关系图 75
图 6-18 用户平均接收功率与超表面、距中心线距离dx、超单元反射系数相位关系图76
图 6-19 超表面调制环境中已有信号
[30]
...................................... 77
图 6-20 基于超大规模天线的智能中继波束管理流程 ....................................................... 80
图 6-21 基于云架构的智能中继波束预测与搜索优化架构图 ....................................... 81
图 6-22 系统模型............................................................................................................. 86
图 6-23 训练流程............................................................................................................. 89
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