摘 要

随着无线移动设备和流量业务的爆炸式增长，第四代移动通信在速率、频谱、效率、可靠性等方面已经不能满足未来人们对于移动通信更高的性能要求。研究出更加优化的第五代移动通信系统迫在眉睫。本文基于移动通信技术的发展，对新一代移动通信系统5G的关键技术之一大规模MIMO进行研究，提出其实现还面临信道估计困难，模式选择不够优化以及空时编码算法选择等问题。并针对空时编码这一技术难点基于MATLAB软件进行仿真，结果表明MMSE-SIC（优化的最小均方差）算法在天线个数相同的情况下能够拥有最低的信噪比，并且随着天线数量的增大信噪比下降的幅度更大，是一种较为优化的空时编码算法。在文章的最后作者对5G的普及化面临的蜂窝干扰问题，提出了系统留取辅频、用户通信过程工作在欠载状态以及设计优化的频率调度方案这三个解决思路。

关键字：5G；大规模MIMO；空时编码；MATLAB；蜂窝干扰

Abstract

With the explosive growth of wireless mobile devices and traffic services, the fourth-generation mobile communications can no longer meet the higher performance requirements for mobile communications in terms of speed, spectrum, efficiency, and reliability. Researching a more optimized fifth generation mobile communication system is imminent. Based on the development of mobile communication technology, this paper researches on one of the key technologies of the new generation of mobile communication system 5G, namely massive MIMO, and puts forward that its implementation also faces the difficulties of channel estimation, optimization of mode selection, and selection of space-time coding algorithms. The technical difficulties for space-time coding are based on MATLAB software simulation. The results show that the MMSE-SIC (optimized minimum mean square error) algorithm has the lowest signal-to-noise ratio with the same number of antennas and the number of antennas. Increasing the signal-to-noise ratio to a greater extent is a more optimized space-time coding algorithm. At the end of the article, the authors proposed three solutions to the problem of cellular interference facing the popularization of 5G, including the system's reservation of the sub-frequency, the user's communication process working in under-load conditions, and the design optimization of the frequency scheduling scheme.

Key words: 5G; massive MIMO; space-time coding; MATLAB; cellular interference

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 移动通信的发展 2

1.4 本文研究内容 4

第2章 5G及其关键技术 5

2.1 第五代移动通信 5

2.2 5G关键技术 7

第3章 大规模MIMO技术研究 9

3.1 大规模MIMO相关技术 9

3.1.1 MIMO 9

3.1.2 波束成形 9

3.2 大规模MIMO技术难点研究 10

3.2.1 信道估计 11

3.2.2 模式选择 11

3.2.3 空时编码 12

第4章 大规模MIMO系统仿真 14

4.1 方案设计 14

4.1.1 vblast空时编码技术检测方案 14

4.1.2 多天线仿真方案 14

4.2 仿真结果分析 15

4.2.1 vblast空时编码仿真结果分析 15

4.2.2 多天线仿真结果分析 17

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着移动通信的快速发展，无线移动设备和服务呈爆炸式增长，数据业务的需求也在增大，这导致了4G频段也存在一些难以应对的挑战，如频谱危机和高能耗等。无线系统设计人员开始将目光转向一种更为智能、高效、可靠的通信系统，即第五代无线系统。

5G 是新一代无线移动通信网络，其将用于未来人们生活对移动通信更高性能需求，预计在2020后将会实现商用。5G 通信技术理念的提出致力于增强用户体验，与原4G通信的技术相比，在数据的传输速率和资源利用率等方面都提升一个量级或者更多的量级, 相较于原有的通信技术，5G在无线覆盖性能、5G系统的安全性和用户的体验也将得到明显的改善。不仅如此，它还有着可靠性高，运行成本低，能耗量低且更加绿色环保的优点。除了支持移动互联网的发展，5G更大的特点是在物联网方面的发展，人们预计其业务类型可涉及到移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等领域。这预示着5G将实现人与万物的互通互联，使得人们的生活更加智能化。

1.2 国内外研究现状

5G网络被认为是未来移动通信发展的必然方向，也是世界各国通信领域研究的热点。5G已经成为世界各国争相发展的技术，日本、德国、美国和中国都在为国内5G频道部署。

欧洲方面，从在过去3G/4G的发展进程看，欧洲在移动通信领域上总体上不如亚洲，并且希望在5G的研究之上能够占据一席之地。

2018年5月4日，德国电信(Deutsche Telecom)在首都柏林激活其首批5G天线，华为公司提供了包括终端在内的所有设备，这将使德国成为欧洲5G通信技术发展的先锋并带动欧洲5G通信技术的研究与发展。

美国方面，2016年7月14日，开放了24GHz以上的高频段用于5G，其中5个频段：28 GHz 频段 （27.528.35 GHz）、 37 GHz 频段 （37 ~ 38.6 GHz）、 39 GHz 频段（38.6 ~ 40 GHz） 和 64 ~ 71 GHz 频段。7月15日，白宫声明AWRI将在未来七年内，在4个城市试验开放的 5G 高频段。

中国方面，2013年初，我国成立了5G的 移动通信研究小组，初步设定了包括5G频谱、关键技术。并对5G的发展前景进行了预测，初步得出了研究框架。

2013年6月，我国启动了863研究计划，将重点对于现存的一些技术难点进行深入研究，尽量在5G无线传输、高频谱利用与复杂结构体系方面有所突破，开展无线传输技术试验项目与网络技术性能指标评估与系统设计工。2017年12月，3GPP的第一个5G标准— NSA（Non-Standalone，非独立组网）标准正式确定。

2018年2月22日，沃达丰和华为两公司合作完成了全球首个5G通话测试，这个测试不仅基于非独立的3GPP 5G新无线标准，并且采用Sub6 GHz频段。

2018年2月25日，在巴塞罗MWC展会上，华为发布了全球首款5G商用芯片-巴龙5G01和5G商用终端-华为5G CPE。

2018年4月5日，为测试包括5G承载网、EPC 接入网、5G无线接入网以及华为最新基于GPP标准的5G CPE商用端等的端到端系统，中国成立了基于5G最先标准端到端实验室。

2018年中国5G通信取得了许多突破性成果，潜力巨大。在未来的两年，全国各个城市将会建设5G实验站点，我相信5G商用将在不远的未来到来。

1.3 移动通信的发展

技术创新的不断涌现使得无线移动通信不断发展。从“大哥大”横行的时代，到4G随处覆盖的今天，不得不感叹，移动通信技术的发展使我们的生活发生了翻天覆地的变化，不仅实现了彼此通信，更让我们的生活更高效、便捷、智能。

自上世纪80年代，第一代移动通信技术（1G）就已经产生。它采用的主要技术是频分多址(FDMA)技术和模拟调制技术。美国的AMPS和欧洲的TACS都是典型的第一代移动通信技术，其中，我国当时也是采用的TACS方案。第一代移动通信技术是基于模拟传输的，传输速率较低，仅限话音信号，仅能支持小业务量通话，通讯价格也十分昂贵。当时的人们刚刚开始接触电话，通话质量差，也没有考虑到保密性与安全性不够，且由于带宽受限，远在不同地区的人们不能进行长途漫游通话。

20世纪90年代。第二代移动通信（2G）在技术上进行了改进，开始进行数字化调制。主要采用的技术有两个：时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。码分多址（CDMA）技术也是基于数字化的。它实际上根据不同的编码序列来识别信息，属于多路传输，可以在同时同频传输不同信息。码分多址采用了扩频技术，具有更强的抗窄带干扰能力、抗多径延时和抗衰落能力。2G主要划分为两个标准。一种是基于TDMA发展而来的GSM标准，由欧洲提出并应用于欧洲，目前已全球化。另一种是基于CDMA发展而来的IS-95标准，由美国提出，应用于美洲以及一些亚洲国家。

从1G到2G实现了从模拟调制到数字调制的转变，同时采用码分多址技术来在频域和时域交叉寻址，大大了提高了频谱利用率。与前一代相比，其传输速率更快，大概能达到标准化程度高。其主要业务仍是语音业务，在通话质量、保密性以及抗干扰能力上面都有了很大的改善，同时也可以进行省际自动漫游。但是，由于各国移动通信的标准各异，只能在相同制式的覆盖范围之内而无法进行全球性漫游。

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