基于導(dǎo)頻復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法研究.pdf

1、為了適應(yīng)持續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)的無線業(yè)務(wù)需求，未來移動(dòng)通信系統(tǒng)需要在無線物理層傳輸?shù)榷喾矫鎸?shí)現(xiàn)新的突破。其中，在基站側(cè)配備大規(guī)模天線陣列的大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO，multiple-input multiple-output)無線傳輸能夠顯著提升系統(tǒng)頻譜效率和功率效率，被認(rèn)為是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)最具潛力的研究方向。信道狀態(tài)信息的獲取是MIMO無線傳輸?shù)幕A(chǔ)，目前大規(guī)模MIMO無線傳輸中信道狀態(tài)信息大多通過周期性發(fā)送正交導(dǎo)頻來獲取，相應(yīng)的導(dǎo)頻開

2、銷將隨著天線數(shù)目線性增長(zhǎng)。在中高速移動(dòng)場(chǎng)景中，導(dǎo)頻開銷將消耗掉大量的時(shí)頻資源，構(gòu)成系統(tǒng)瓶頸。實(shí)際室外大規(guī)模MIMO無線信道通常呈現(xiàn)能量集中特性，利用這一信道特性，可以提升導(dǎo)頻資源的復(fù)用能力，降低導(dǎo)頻開銷。鑒于此，本論文開展基于導(dǎo)頻復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、裴槍?duì)平衰落信道，提出了基于角度域?qū)ьl復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法。從實(shí)際物理信道模型出發(fā)，研究了空間相關(guān)瑞利衰落大規(guī)模MIMO

3、信道特性，證明了當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)目趨于無窮大時(shí)，信道協(xié)方差矩陣的特征向量取決于基站側(cè)陣列響應(yīng)矢量，特征值取決于信道角度功率譜，從理論上揭示了信道空間相關(guān)性與信道角度功率譜之間的關(guān)系。基于這一信道模型，進(jìn)而證明了當(dāng)復(fù)用導(dǎo)頻的不同用戶其空間到達(dá)角的區(qū)間互相不重疊時(shí)，信道估計(jì)均方誤差之和能夠達(dá)到最小值，從理論上證明了在角度擴(kuò)展受限的空間相關(guān)大規(guī)模MIMO信道上實(shí)施導(dǎo)頻復(fù)用的可行性?？紤]到導(dǎo)頻復(fù)用可能會(huì)導(dǎo)致信道估計(jì)性能下降，進(jìn)而研究了導(dǎo)頻復(fù)用下的

4、魯棒上下行傳輸，推導(dǎo)得到了基于信號(hào)檢測(cè)均方誤差之和最小準(zhǔn)則的魯棒上行多用戶檢測(cè)器與魯棒下行多用戶預(yù)編碼器的閉式表達(dá)，證明了兩者之間的對(duì)偶性。在此基礎(chǔ)上，研究了信道估計(jì)與信號(hào)檢測(cè)均方誤差之和最小準(zhǔn)則下的導(dǎo)頻調(diào)度方法。證明了當(dāng)復(fù)用導(dǎo)頻的不同用戶其信道空間到達(dá)角區(qū)間互相不重疊時(shí)，兩類均方誤差性能均達(dá)到最優(yōu)，并基于該最優(yōu)條件提出了一種基于角度域信道統(tǒng)計(jì)特征的低復(fù)雜度導(dǎo)頻調(diào)度算法。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提出的角度域?qū)ьl復(fù)用相比于傳統(tǒng)的正交導(dǎo)頻能夠顯

5、著提升系統(tǒng)凈頻譜效率。
　?、漆槍?duì)采用正交頻分復(fù)用(OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)調(diào)制的寬帶大規(guī)模MIMO傳輸，提出了基于角度時(shí)延域?qū)ьl復(fù)用的大規(guī)模MIMO-OFDM信道狀態(tài)信息獲取理論方法。從實(shí)際物理信道模型出發(fā)，推導(dǎo)得到了大規(guī)模MIMO-OFDM信道空間頻率相關(guān)陣和信道角度時(shí)延功率譜之間的關(guān)系。從理論上證明，當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)目趨于無窮大時(shí)，不同用戶信道空間頻率相關(guān)

6、陣的特征向量趨近于相同，而特征值取決于各自的信道角度時(shí)延功率譜，從理論上揭示了大規(guī)模MIMO-OFDM信道在角度時(shí)延域的近似稀疏特性?；谶@一信道模型，提出了頻域相移可調(diào)導(dǎo)頻，研究了基于頻域相移可調(diào)導(dǎo)頻的信道狀態(tài)信息獲取理論方法，并從理論上證明，當(dāng)經(jīng)過頻域相移導(dǎo)頻調(diào)度后的各用戶等效信道在角度時(shí)延域互相不重疊時(shí)，相應(yīng)的信道估計(jì)與信道預(yù)測(cè)均方誤差之和均能達(dá)到最小值。依據(jù)該信道狀態(tài)信息獲取最優(yōu)條件，進(jìn)而提出了一種低復(fù)雜度的頻域相移導(dǎo)頻調(diào)度算法

7、。上述結(jié)果在單個(gè)和多個(gè)連續(xù)OFDM符號(hào)的場(chǎng)景下均進(jìn)行了論證。典型移動(dòng)場(chǎng)景下的數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提出的相移可調(diào)導(dǎo)頻相比于傳統(tǒng)的相移正交導(dǎo)頻能夠顯著提升系統(tǒng)頻譜效率。
　?、轻槍?duì)毫米波/太赫茲大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，提出了基于逐波束時(shí)頻同步的波束分多址傳輸理論方法。從大規(guī)模MIMO波束域物理信道模型出發(fā)，證明了當(dāng)基站側(cè)與用戶側(cè)配置的天線數(shù)目均充分大時(shí)，波束域信道元素趨向于具有統(tǒng)計(jì)不相關(guān)特性且元素方差取決于信道角度功率譜。此外，波束域信道

8、元素的包絡(luò)趨向于不隨時(shí)間和頻率起伏。基于這一波束域信道特征，提出逐波束時(shí)頻同步方法。從理論上證明了與傳統(tǒng)的天線域同步相比，所提出的逐波束同步能夠同時(shí)縮減寬帶大規(guī)模MIMO信道的等效時(shí)延擴(kuò)展和多普勒頻率擴(kuò)展，且縮減因子近似等于用戶端配備的天線數(shù)目。進(jìn)一步將所提出的逐波束同步方法應(yīng)用于大規(guī)模MIMO波束分多址傳輸，研究了基站側(cè)與用戶端射頻鏈路數(shù)目受限情形下的波束調(diào)度問題，并提出了一種基于波束域信道統(tǒng)計(jì)特征的低復(fù)雜度波束調(diào)度算法。典型移動(dòng)場(chǎng)景