大規(guī)模MIMO與OFDM無線通信信道信息獲取理論方法研究.pdf

1、近年來，各種新的無線應用層出不窮，促使無線數(shù)據(jù)業(yè)務持續(xù)迅猛增長。未來移動通信系統(tǒng)期望進一步提高頻譜效率，并支持更多的終端以實現(xiàn)萬物互聯(lián)。為實現(xiàn)前述目標，目前大規(guī)模天線技術(shù)(massive MIMO)和全雙工技術(shù)有希望競選進入第五代(5G)移動通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)，同時第四代(4G)移動通信系統(tǒng)的正交頻分復用(OFDM)技術(shù)有望被繼續(xù)沿用到第五代移動通信系統(tǒng)。為了在復雜多變的無線信道上進行數(shù)據(jù)傳輸，采用上述物理層技術(shù)的未來通信系統(tǒng)需要獲取

2、無線信道信息。為此，本論文開展大規(guī)模MIMO與OFDM無線通信信道信息獲取理論方法研究。
　　首先，研究正交頻分復用系統(tǒng)的信道估計問題，重點關(guān)注變換域信道估計方法，包括離散余弦變換(DCT)和離散傅里葉變換(DFT)這兩種正交變換。變換域信道估計器存在信道泄漏問題，該問題會使得信道估計器的性能變差;為解決該問題，提出采用部分最小均方誤差(MMSE)濾波來估計信道泄漏進而恢復信道泄漏成分。具體地，對于基于離散余弦變換估計器，推導出信

3、道在變換域的精確表達式，并基于該表達式給出門限設定方法;進而，基于該表達式提出門限抽取區(qū)域外信道泄漏的估計方法，并降低所提出泄漏估計器的實現(xiàn)復雜度。對于基于離散傅里葉變換估計器，推導信道在變換域的精確表達式，并基于該表達式提出低復雜度的信道泄漏估計方法，所提出的方法逼近最優(yōu)的MMSE估計器。數(shù)值仿真驗證所提出信道估計算法的優(yōu)異估計性能。
　　然后，研究大規(guī)模天線和正交頻分復用系統(tǒng)的導頻調(diào)度算法，以使被服務用戶能有效地獲取信道信息。

4、提出利用信道的延時域和角度域這兩個維度的特性來為用戶分配導頻資源，其中延時域特性的利用是通過合適地設計循環(huán)移位導頻信號來實現(xiàn)的。分析存在導頻污染時傳播信道的漸近行為，并基于該漸近特性提出增強型匹配濾波(E-MF)預編碼器。對于簡單的匹配濾波(MF)和精心設計的增強型匹配濾波預編碼器，推導出導頻污染下信道徑數(shù)有限及無窮時可達速率的表達式，該可達速率被作為服務質(zhì)量(QoS)的度量值。進一步，在用戶信道同構(gòu)的假設下分析用戶調(diào)度問題，得出角度域

5、等間隔排布性質(zhì)。提出低復雜度的導頻調(diào)度算法，該算法能最大化服務質(zhì)量保證用戶的數(shù)量。數(shù)值仿真驗證前述可達速率的分析和所提出的用戶調(diào)度算法在最大化服務質(zhì)量保證用戶的數(shù)量上的優(yōu)異性能。
　　接著，研究由大規(guī)模天線基站和全雙工中繼構(gòu)成的兩層無線通信系統(tǒng)的信道估計問題。在全雙工模式運作下，通信系統(tǒng)會存在自干擾和直接鏈路干擾，這使得信道估計問題具有挑戰(zhàn)性。存在上述兩種干擾時，考慮兩個信道估計問題:單跳信道估計和級連信道估計。單跳信道估計問題中

6、，基站和中繼估計它們各自對應的信道;級連信道估計問題中，只有基站估計級連兩跳信道。為解決上述兩個信道估計問題，提出利用信道波束域稀疏性及其慢變特性的基站側(cè)信道估計器，并分析該估計器正確區(qū)分期望信道徑和干擾直接鏈路信道徑的概率。此外，基于期望最大化(EM)算法，提出同時估計源至中繼信道和中繼到中繼自干擾信道的中繼側(cè)信道估計器，并分析該估計器的性能。數(shù)值仿真驗證上述分析結(jié)果并展示所提出的算法的優(yōu)異性能。
　　最后，研究頻分雙工(FDD

7、)大規(guī)模天線系統(tǒng)的波束域信道估計問題。在宏蜂窩場景中，由于無線信道的有限散射現(xiàn)象，大規(guī)模天線系統(tǒng)的信道在波束域上通常具有稀疏特性。因而，對于波束域信道估計問題，重點關(guān)注利用門限方法來抽取稀疏信道的有效信道徑。首先，推導門限類信道估計器均方誤差(MSE)的閉式表達式，并基于該表達式提出最優(yōu)門限;進一步，提出僅與噪聲方差相關(guān)的簡化門限。此外，提出辨識波束域公共支集的門限設定方法，并給出利用公共支集的信道估計方法。對于信道反饋問題，提出基于門