申请书提纲

一、简表1.研究内容摘要本项目针对未来5G的Massive MIMO通信系统，研究一种新型的非平稳三维信道模型，由于Massive MIMO技术的天线阵列的尺寸不能被忽略，所以需要在所提的模型中考虑由天线尺寸变大带来的近场效应。

项目研究包括球形波前传播和探索一种高效简单的方法在天线阵列轴和时间轴同时表征信道的非平稳性。

它们对Massive MIMO信道的影响通过统计特性包括相关函数、条件数和角功率谱等来研究。

此外，三维信道建模中讨论了俯仰角的影响，提出相应的理论仿真模型。

本项目最终所提出的信道模型实现作为Massive MIMO信道建模的设计框架。

2.研究意义摘要本项目是Massive MIMO系统的基础研究，用以评估系统性能，本项目针对目前5G 关键技术之一的Massive MIMO领域，将有助于现阶段我国正在进行的5G Massive MIMO技术相关测试，加快我国5G标准化进程。

而Massive MIMO技术在5G时代的商用推广，会进一步促进其通信系统评估方面的研究，Massive MIMO信道建模标准化也将提到日程上来。

二、立论依据（项目的研究意义、国内外研究现状分析，附主要的参考文献及出处）三、研究方案1. 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题（分别填写）2. 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析3. 本项目的特色与创新之处4．预期的研究进展和成果基于Massive MIMO 非平稳特性的三维信道建模(一)项目研究目的、意义及国内外研究现状与存在问题(附主要的参考文献及出处)1 研究目的及意义随着物联网的兴起和移动互联网业务种类的日渐丰富，人们对蜂窝移动通信数据传输速率以及服务质量提出了更高的要求。

业界普遍预测，到2020年，移动通信网络的容量需求是目前网络的1000倍，连接数将是10~100倍。

为了满足用户持续增长的数据速率和业务需求，未来第五代移动通信系统(5G)将实现更大的网络容量、更快的传输速率及更高的频谱利用率[1-2]。

由于能够充分挖掘空间维的自由度，在提高频谱效率的同时能够获得较好的功率利用率，大规模阵列天线(Massive MIMO)引起了国内外的广泛关注，并成为5G最有潜力的无线传输技术之一。

Massive MIMO无线通信的基本特征是：在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线，较4G系统中的4(或8)根天线数增加一个量级以上，这些天线以大规模阵列方式集中放置；分布在基站覆盖区内的多个用户，在同一时频资源上，利用基站大规模天线配置所提供的空间自由度，与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力、各个用户链路的频谱效率以及抵抗小区间干扰的能力，由此大幅提升频谱资源的整体利用率；与此同时，利用基站大规模天线配置所提供的分集增益和阵列增益，每个用户与基站之间通信的功率效率也可以得到进一步显著提升。

近年来，对5G信道测量与建模已经开展起来。

信道建模是通信系统性能评估不可或缺的一环。

为了更好地应用Massive MIMO技术，首先必须准确把握Massive MIMO信道的具体特性，因此信道建模是Massive MIMO系统中最基础的研究工作。

目前世界上许多研究机构、商业公司以及标准化组织均已展开相关的研究，研究者一直致力于建立准确度高并且计算复杂度相对较低的信道模型，但在已发表的成果中，关于Massive MIMO 信道的理论建模和实测建模的工作仍然较少，还没有受到广泛认可的信道模型出现[3]，Massive MIMO 无线通信技术研究尚处在起步阶段。

为充分挖掘其潜在的技术优势，需要探明符合典型实际应用场景的信道模型。

相对于传统的MIMO信道，Massive MIMO信道呈现出一些全新的特征。

比如：1）MIMO 系统天线数的增加会带来近场效应，天线阵元与参考天线阵元到散射体的波程差通常采用远场传播构建方法，即将天线阵元发射的信号看作是平面波进行处理，在发射天线数较少且散射体足够远的情况下才成立，同样的方法应用于Massive MIMO系统时便会带来很大的误差；2）Massive MIMO信道具有非平稳特性[4-5]。

非平稳特性是指这样的事实，一个天线阵列规模变得很大时，对于空间位置不同的天线阵元会对应不同的散射体。

即对于在发射端或接收机端的大型天线阵列，各天线阵元并不能利用所有在发射端或接收机端的散射体，也就是说不同天线阵元可以利用不同的散射体。

但空间位置越相近的天线阵元，它们将分享更多相同的散射体。

2 国内外研究现状及存在问题2010年，美国贝尔实验室的Marzetta在[6]中首次提出了Massive MIMO 技术，在此之后在工业界和学术界均获得了高度的关注。

近年来，5G关键技术的研究已经进入到了技术测试阶段，在国内外5G研究机构的推动大下，5G时代或加速到来，中国移动在今年3月到9月进行了大规模天线3D-MIMO小规模试验。

中兴通讯公司已在上海和深圳分别完成由IMT-2020（5G）推进组牵头组织的5G高频技术以及Massive MIMO技术的验证和性能测试。

此轮测试针对各种传输场景进行了充分验证，结果符合预期，中兴通讯成为完成5G高频技术和Massive MIMO技术测试的首批设备商。

2016年，全球电子测量技术和市场的领导者是德科技公司与东南大学开展合作研究，共同致力于5G Massive MIMO系统测试测量技术的研究。

此次合作将加速促进Massive MIMO相关算法、系统设计、天线技术等领域的及其测试测量方法的成熟，巩固促进中国5G关键技术研发能力。

目前国内外学者对Massive MIMO 系统做了相当多的理论研究，涉及系统构架、传输容量、频谱效率分析、信道估计、下行预编码技术、检测技术、系统实现和硬件平台信道测量及建模等。

相对于传统的MIMO系统，大规模MIMO系统呈现出一些全新的特性。

2012年，瑞典德隆大学的Sohail Payami和Fredrik Tufvesson等人进行了2.6 GHz的大规模天线阵列系统的信道测量和分析[4-5]，他们的数据分析结果总结出Massive MIMO两个新的信道传播特性，即非平稳性和近场效应，推动了相关信道建模工作。

研究表明，关于Massive MIMO 信道的理论建模和实测建模的工作还较少，还没有受到广泛认可的信道模型出现，传统MIMO模型不能直接应用Massive MIMO信道，需要考虑其新的信道特点。

所以关于大规模MIMO信道的研究尚在起步阶段，总结国内外研究结果，现有的MIMO信道建模研究成果如下：2.1 3D MIMO信道建模的研究WINNER机构很早就提出了3D MIMO的建模思想，并提供了由测量而得的信道统计特性的概率分布，完成了在室内环境和户外到室内环境的3D MIMO信道的建模[7]。

文献[8]中结合SCM模型[9][10]，WINNRII模型[11]的建模规则和参数，建立了一个三维SCM模型。

文中不仅考虑了加入俯仰角方向的三维信道建模，亦将发射天线阵列排布由简单的ULA扩展为二维的平面排布，这种扩展对研究数量巨大的天线系统是十分有用的。

近年来，3GPP机构一直进行关于3D MIMO标准化研究[12]，开展了3D MIMO的信道建模以及相关基础进行了深入研究。

已经搭建了基于球坐标系3D信道模型，详细讲述了建模原理和流程；其次对于信道模型选取了相关参量进行了定性分析和定量校准，充分证明了信道模型的准确性和科学性。

与传统的2D MIMO相比，3D MIMO信道模型最大的变化就是加入了对第三维空间的利用。

信道模型中对垂直维的重要变量进行了建模，从而更加准确地模拟出3D环境下的MIMO信道模型。

2.2 Massive MIMO信道研究文献[13]针对Massive MIMO系统提出的理想信道假设条件，用实际测量的信道进行了验证，系统采用定制的8个垂直排列的天线阵，固定最上方的天线，剩余7个可以在各自所在平面旋转用以模拟一个大型的圆柱型天线阵列。

文中假设可以连续旋转16个不同的角度位置来模拟最多16x 7=112种天线配置。

接收端选择两个单天线用户，给定30个测量位置。

通过与独立同分布(Independent Identically Distributed，IID)信道条件下的容量进行对比，可以发现在天线数较小的情况下，测量信道和IID的信道容量有较大差异。

当天线数很大的时候，这种差别逐渐减小。

考虑信道的条件数分布，测量结果表明当天线数为16时，测量信道和IID信道的条件数的倒数的概率分布函数差别已经不大了。

对于天线数为112，测量信道和IID信道差别变大，这也表明存在一些相关性很强的信道通过增加天线数也无法使它们相互正交或渐近正交。

对于Massive MIMO系统，它不需要正确的表示信道的每一个细节特征，但是要有完整的解析表达式来表达信道的关键特性[14]，正如传统MIMO系统中所使用的的Kronecker模型[14]就很好地体现出信道的相关特性，并广泛用于MIMO结构的研究。

文献[16][17]中介绍了COST2100信道模型，这是一种基于几何的随机信道模型(Geometry．based Stochastic Channel Models，GSCMs)，将用户散射体可见区域(Visibility Region)和共经散射体(Common Scatterers)对多链路信道相关性的影响引入进信道模型中，这也更符合Massive MIMO信道的实际场景。

随着天线数目的达到几十甚至上百，MIMO信道会呈现一些新的特点，文献[18]指出天线阵元与参考天线阵元到散射体的波程差通常采用远场传播构建方法，即将天线阵元发射的信号看作是平面波进行处理，在发射天线数较少且散射体足够远的情况下才成立，同样的方法应用于Massive MIMO系统时便会带来很大的误差。

根据无线电传播特性，需要研究近场球面波前传播，尽管球面波前传播在短程或恒定距离通信已进行了研究，而其在Massive MIMO信道研究尚未在文献中提到。

2.3 Massive MIMO信道建模的主要问题但是目前的3D MIMO信道模型不能直接应用Massive MIMO信道环境，需要考虑其新的信道特点，当前对Massive MIMO信道的建模研究，还存在两方面的研究问题：1)对于Massive MIMO信道的非平稳特征，现有的信道模型还没有给出出简单有效的方法捕获此特征。

2)MIMO的近场效应，随着天线数目增加，传统MIMO信道远场假设传播可能不再是合适的，将会带来更大的相位误差。

所以需要采用信道近场球面波前传播，计算过程相对平面波要复杂，现在还没有文献中提到Massive MIMO信道的球面波前传播几何分析。