【摘 要】
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大规模天线是第五代移动通信系统(5th-Generation,5G)新空口(New Radio,NR)的核心物理层技术之一。随着R15标准的冻结,大规模天线系统的性能可基本满足5G的增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband,eMBB)和超可靠低时延通信(Ultra Reliable and Low Latency Communication,URLLC)两大应用场景的需求
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大规模天线是第五代移动通信系统(5th-Generation,5G)新空口(New Radio,NR)的核心物理层技术之一。随着R15标准的冻结,大规模天线系统的性能可基本满足5G的增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband,eMBB)和超可靠低时延通信(Ultra Reliable and Low Latency Communication,URLLC)两大应用场景的需求,但为了能够让5G更好地与各垂直行业结合,还需要进一步提升。系统的高性能离不开精确的信道状态信息(Channel State Information,CSI),也就需要准确的信道估计和高效的CSI反馈。对于现阶段的NR系统,不可忽视的问题包括信道估计相关参考信号存在峰均比高于数据信号和多用户传输情况下CSI反馈存在开销过大的问题。这不仅影响信号的传输与覆盖进而影响CSI获取,还导致对应的码本只支持最多两层传输。因此在R16中实现CSI增强对于NR系统性能的提升具有重要的作用。论文选题来源于国家科技重大专项《5G国际标准候选方案评估与验证》。基于该课题,本文结合5G标准化研究背景,从CSI的获取与反馈出发,提出两种CSI增强技术方案:降低解调参考信号(DeModulation Reference Signal,DMRS)的峰均比和压缩 CSI 反馈,并分别基于链路级仿真平台和系统级仿真平台进行性能评估。本文主要研究内容分为以下三部分:(1)对5GNR大规模天线系统的增强技术和仿真平台进行综述。本文分析了 5G NR大规模天线系统增强的相关技术背景,并重点分析了信道状态信息增强的研究现状,然后给出了通用仿真平台的仿真流程,包括链路级和系统级仿真平台。(2)针对信道估计相关参考信号的高峰均比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)影响信号传输和覆盖的问题,本文提出基于DMRS峰均比降低的信道状态信息增强技术方案。首先阐述DMRS存在PAPR问题的原因,并通过仿真得到循环前缀-正交频分复用(Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDM)波形和离散傅里叶变换扩展正交频分复用(Discrete Fourier Transformation-spread-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,DFT-s-OFDM)波形下,DMRS的PAPR分别比数据信号高出至多约5dB和2.5dB。于是分别对两种波形提出新的DMRS序列生成方案并基于链路级仿真平台进行了实现以及性能评估。仿真结果表明新方案使DMRS的PAPR降至数据信号的水平,即前者高出的PAPR在1dB以内。(3)针对CSI反馈开销大而阻碍码本层数扩展的问题,本文提出基于CSI反馈压缩的信道状态信息增强技术方案。首先在固定层数、量化精度等参数的条件下,计算得到Type Ⅰ和Type Ⅱ CSI反馈的开销分别为21比特和687比特,引出Type Ⅱ CSI反馈的高开销问题。然后分别对第三代合作伙伴项目(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)确定的基于DFT波束的CSI反馈压缩和基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)分解的 CSI 反馈压缩两种方案在系统级仿真平台进行具体设计与实现,仿真得到:对于反馈开销与小区平均用户吞吐量之比,相比R15,两种方案带来的增益分别是4.13dB和3.07dB;对于反馈开销与小区边缘用户吞吐量之比,相比R15,两种方案带来的增益分别是3.21dB和2.85dB。可以得出结论:基于DFT波束的CSI反馈压缩带来的增益更高,可为Type Ⅱ码本层数扩展奠定技术基础。
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