基于導頻復用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法研究.pdf

1、為了適應持續(xù)呈指數(shù)增長的無線業(yè)務需求，未來移動通信系統(tǒng)需要在無線物理層傳輸?shù)榷喾矫鎸崿F(xiàn)新的突破。其中，在基站側配備大規(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，被認為是未來移動通信系統(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，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)送正交導頻來獲取，相應的導頻開

2、銷將隨著天線數(shù)目線性增長。在中高速移動場景中，導頻開銷將消耗掉大量的時頻資源，構成系統(tǒng)瓶頸。實際室外大規(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，可以提升導頻資源的復用能力，降低導頻開銷。鑒于此，本論文開展基于導頻復用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法研究。本研究主要內容包括：
　　⑴針對平衰落信道，提出了基于角度域導頻復用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法。從實際物理信道模型出發(fā)，研究了空間相關瑞利衰落大規(guī)模MIMO

3、信道特性，證明了當基站側天線數(shù)目趨于無窮大時，信道協(xié)方差矩陣的特征向量取決于基站側陣列響應矢量，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性與信道角度功率譜之間的關系?；谶@一信道模型，進而證明了當復用導頻的不同用戶其空間到達角的區(qū)間互相不重疊時，信道估計均方誤差之和能夠達到最小值，從理論上證明了在角度擴展受限的空間相關大規(guī)模MIMO信道上實施導頻復用的可行性?？紤]到導頻復用可能會導致信道估計性能下降，進而研究了導頻復用下的

4、魯棒上下行傳輸，推導得到了基于信號檢測均方誤差之和最小準則的魯棒上行多用戶檢測器與魯棒下行多用戶預編碼器的閉式表達，證明了兩者之間的對偶性。在此基礎上，研究了信道估計與信號檢測均方誤差之和最小準則下的導頻調度方法。證明了當復用導頻的不同用戶其信道空間到達角區(qū)間互相不重疊時，兩類均方誤差性能均達到最優(yōu)，并基于該最優(yōu)條件提出了一種基于角度域信道統(tǒng)計特征的低復雜度導頻調度算法。數(shù)值仿真結果表明，所提出的角度域導頻復用相比于傳統(tǒng)的正交導頻能夠顯

5、著提升系統(tǒng)凈頻譜效率。
　　⑵針對采用正交頻分復用(OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)調制的寬帶大規(guī)模MIMO傳輸，提出了基于角度時延域導頻復用的大規(guī)模MIMO-OFDM信道狀態(tài)信息獲取理論方法。從實際物理信道模型出發(fā)，推導得到了大規(guī)模MIMO-OFDM信道空間頻率相關陣和信道角度時延功率譜之間的關系。從理論上證明，當基站側天線數(shù)目趨于無窮大時，不同用戶信道空間頻率相關

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延功率譜，從理論上揭示了大規(guī)模MIMO-OFDM信道在角度時延域的近似稀疏特性?；谶@一信道模型，提出了頻域相移可調導頻，研究了基于頻域相移可調導頻的信道狀態(tài)信息獲取理論方法，并從理論上證明，當經(jīng)過頻域相移導頻調度后的各用戶等效信道在角度時延域互相不重疊時，相應的信道估計與信道預測均方誤差之和均能達到最小值。依據(jù)該信道狀態(tài)信息獲取最優(yōu)條件，進而提出了一種低復雜度的頻域相移導頻調度算法

7、。上述結果在單個和多個連續(xù)OFDM符號的場景下均進行了論證。典型移動場景下的數(shù)值仿真結果表明，所提出的相移可調導頻相比于傳統(tǒng)的相移正交導頻能夠顯著提升系統(tǒng)頻譜效率。
　?、轻槍撩撞?太赫茲大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，提出了基于逐波束時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)，證明了當基站側與用戶側配置的天線數(shù)目均充分大時，波束域信道元素趨向于具有統(tǒng)計不相關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、元素的包絡趨向于不隨時間和頻率起伏?；谶@一波束域信道特征，提出逐波束時頻同步方法。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縮減寬帶大規(guī)模MIMO信道的等效時延擴展和多普勒頻率擴展，且縮減因子近似等于用戶端配備的天線數(shù)目。進一步將所提出的逐波束同步方法應用于大規(guī)模MIMO波束分多址傳輸，研究了基站側與用戶端射頻鏈路數(shù)目受限情形下的波束調度問題，并提出了一種基于波束域信道統(tǒng)計特征的低復雜度波束調度算法。典型移動場景