雙碼本波束成形相關技術研究.pdf

1、多天線技術能夠利用空間自由度實現(xiàn)空間分集和復用，有效提高頻譜利用率。其中，波束成形是在多天線系統(tǒng)中實現(xiàn)空分多址的主要技術，主要分為兩類，一類是長時的波束成形技術，它應用于小間距的多根天線陣列，主要原理是利用空間信道的強相關性及波的干涉原理產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣自適應地指向用戶來波方向；另一類是短時的波束成形技術，它的主要原理是基于實時的信道沖擊響應，利用天線陣元之間的弱相關性構建信號處理算法，當發(fā)送端和接收端都具有

2、完整的信道信息，短時波束成形技術能夠簡單有效地實現(xiàn)MIMO信道的最大分集增益。當天線距離在半波長到10倍波長之間，角度擴散不大時，為長時波束成形和短時波束成形結合起來提供了條件，因而，能使二者結合的雙碼本技術被引入到 LTE-Advanced（LTE-A）系統(tǒng)中，它同時用兩個碼本分別指示長時波束成形特性（碼本1）和短時波束成形特性（碼本2）。此外，由于長時特性和短時特性的變化周期不相同，決定了二者反饋周期也不同，這樣就可以延長長時特性碼

3、本的反饋周期，從而減小平均反饋量，提高資源利用率。雖然在LTE-A中定義了雙碼本發(fā)送方案，但是雙碼本估計和反饋等都是雙碼本技術中亟待解決的關鍵問題。
　　本論文就是圍繞著雙碼本波束成形技術的研究展開的，通過對相關理論研究，提出了一系列解決方案?？偟膩碚f，本文主要研究內容和貢獻如下：
　　首先，研究了雙碼本波束成形技術的碼本設計特性和碼本估計算法。在寬帶信號的正交頻分多路復用（Orthogonal Frequency Divi

4、sion Multiplexing，OFDM）系統(tǒng)中，不同子載波之間存在頻率偏移，所以在利用不同載波上的信道信息進行獨立碼本估計時存在偏差，本文提出相關估計算法，利用寬帶信號中多個載波之間的相關性，將不同載波的信道信息聚焦到某個參考頻點上獲得等效的信道信息。此外，在將多采樣點估計獲得的信道矩陣進行平均來獲得統(tǒng)計信道信息時，引入采樣點時刻的信噪比作為加權因子進行加權平均，可以克服由于個別噪聲干擾較大的采樣信息帶來的估計性能惡化現(xiàn)象。通過理

5、論分析和數(shù)值仿真得出，在信號帶寬較小時，優(yōu)化算法對系統(tǒng)性能提升較小，主要得益于加權平均；當信號帶寬較大時，系統(tǒng)性能提升較明顯。
　　接著，在雙碼本波束成形系統(tǒng)中，分析由于IQ（in-phase/quadrature-phase）不平衡對波束成形系統(tǒng)帶來的影響，推導了在IQ不平衡情況下引起的碼本估計偏差以及雙碼本估計特性。為了消除IQ不平衡對碼本估計的影響，本文給出了一種完整的收發(fā)端IQ不平衡估計和補償算法，通過該算法能夠對收發(fā)端I

6、Q不平衡參數(shù)進行分步估計補償，校正該因素引起的碼本估計誤差，從而提高系統(tǒng)性能。
　　然后，通常情況下為了減小上行反饋資源，對代表長時信道特征的碼本1采用較長的反饋周期，然而信道變化快慢具有時變性，如果采用固定的反饋周期會影響碼本1的準確性，因此本文利用修正的非等間距灰色預測算法對信道方向指示（CDI）信息進行預測，提出一種自適應反饋策略。此外，由于碼本2估計實時性要求較高，過時的信道估計會嚴重降低碼本2的估計性能，因此本文利用卡爾

7、曼預測算法對信道估計矩陣進行預測，并且引入灰色預測算法對預測時用到的狀態(tài)轉移矩陣進行修正，從而提高碼本2的估計性能。
　　最后，重點研究在大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）系統(tǒng)模型下，隨著天線數(shù)的增加，信道信息估計與反饋信息的復雜度成倍增加，同時，Massive MIMO系統(tǒng)中天線陣通常呈二維陣列分布，信道的方向性估計也需要擴展成二維方向估計。針對上述特性，本文提出基于在二維信道方向估計下的雙碼本波束成形技術方案，包括雙碼