基于混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统关键技术研究

发布时间：2020-04-05 13:59

【摘要】：随着便携式移动终端的大规模普及和互联网数据流量爆炸式的增长,用户对于高数据速率和高质量无线通信网络的需求日益增高。多输入多输出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术作为新一代无线传输技术,可以成倍的提升频谱效率和链路质量。近年来,MIMO相关理论研究成果表明,随着天线阵列规模的增大,MIMO系统可以获得更大的空间自由度,这使得系统的数据速率和可靠性可以得到进一步提升。因此,为了满足用户不断增长的数据速率需求,大规模MIMO技术,即使用大规模天线阵列的MIMO技术,在未来通信系统中将具有非常广阔的应用前景。考虑到射频链路的开销与功耗,大规模天线阵列系统通常采用混合模拟与数字的系统结构。在这种结构下,传统的全数字预编码被拆分成数字预编码与模拟预编码两部分,通过这种拆分处理,系统所需的射频链路数目得以大幅降低。本文深入研究基于混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统的优化问题,并分别就单用户与多用户系统提出了不同的预编码方案。除此之外,本文还从混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统的实际部署的角度出发,着眼于解决引入更高阶调制方式后的信道质量指示(CQI,Channel Quality Indicator)表格设计以及反馈问题。本文的主要创新点包括:第一,针对单用户混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统,本文首先分析了基于部分连接结构系统与基于全连接结构系统在预编码方案设计思路上的不同,并定性分析了两者的性能差距。随后,本文就高、低信噪比(SNR,Signal to Noise Ratio)两种情况分别提出了相应的混合预编码优化方案。最后,本文推导出了所提方案可达速率上界的闭式表达。第二,针对多用户混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统,本文对单载波系统和多载波系统两种情况分别提出了相应的混合预编码优化方案。对于单载波多用户系统,本文主要研究了系统频谱效率优化问题。在模拟域,优化目标为最大化所有用户的等效信道增益之和,本文通过将原优化问题转化为凸问题,从而求得模拟域的最优预编码矩阵;在数字域,本文采用块对角化(BD,Block Diagonalization)算法以消除各用户间的干扰。从仿真结果可以看出,本文所提算法在等效信道增益方面较现有算法有显著提升,同时也改善了单径信道下的系统频谱效率。对于多载波多用户系统,本文研究了毫米波场景中总发射功率约束下的最大化最小信干噪比(SINR,Signal to Interference plus Noise Ratio)问题。本文对传统的迭代式优化方案进行了改进,提出一种固定模拟域权重的两级优化方案,从而避免了模拟、数字预编码矩阵之间复杂的迭代求解。本文基于IEEE 802.11ad信道模型对所提方案在视距场景下的性能进行了评估,仿真结果显示所提方案的性能接近、甚至高于传统的迭代式方案。第三,本文以混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统的实际部署为着眼点,针对支持更高阶调制方式的CQI表格设计问题进行了研究。首先,本文提出一种面向未来的可扩展式CQI表格设计方法与相应的两级反馈方案以支持更高阶的调制方式。更进一步,本文提出了一种自适应的窗口索引更新方案以降低反馈开销。通过数值仿真表明,所提方案较3GPPRelease-12中的固定大小的CQI表格设计方案而言,明显改善了小区边缘用户吞吐量,并且对于小区中心用户的吞吐量也有些许提升。
【图文】：

示意图,频段,全球,毫米波

Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ｐｅｒｓｏｎａｌ邋Ａｒｅａ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ）卜８】。逡逑毫米波频段范围中以６０ＧＨｚ频段最具吸引力，因为６０ＧＨｚ是一个全球性的逡逑无牌照频段。如图１－３所示，多个国家在５５－６０ＧＨＺ内都有着丰富的可用无牌照逡逑频谱资源，例如欧洲、美国、加拿大、日本、澳大利亚和中国等％１。同时，有逡逑关毫米波通信的相关的产业标准也逐渐发展起来，例如ＥＣＭＡ－３８７，，邋ＩＥＥＥ逡逑８０２．１５．３ｃ邋和邋ＩＥＥＥ邋８０２．１１邋ａｄ邋等。逡逑Ｉ逦１逦１逦１逦１逦１逦１逦１逦Ｉ逦１逡逑欧洲邋１５７逦；逦＾逦ｊ邋；逦￣６６ｌ逡逑美国、加拿大＾逦；逦￣６４逡逑逦邋；邋１邋１逡逑曰本逦５９邋Ｉ邋＇逦丨邋丨邋丨６６逡逑！邋！邋｜邋逦！逦！＿＿逦｜逦！逡逑澳大利亚逦５９？４逦６２．９邋：逡逑Ｉ逦￣：逦：逦逦邋Ｉ逦！逡逑中国逦１５９逦＇逦６４逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦ｉ逦ｉ逦Ｉ逡逑５７逦５８逦５９逦６０逦６１逦６２逦６３逦６４逦６５逦６６逡逑频率（ＧＨｚ）逡逑图１－３全球各国在６０ＧＨｚ频段的可用频谱示意图逡逑然而，６０ＧＨｚ系统也面对着严峻的挑战，其中最为关键的一点就是超高的逡逑路径损耗。６０ＧＨｚ无线信道展现出２０ｄＢ至４０ｄＢ的自由空间路径损耗，并且根逡逑据不同的大气状况，大气吸收损耗高达１５ｄＢ至３０ｄＢ每公里的衰落［５８］。除此之逡逑夕卜，毫米波环境下的多径效应也大幅的减弱，这使得非视距通信变得非常困难。逡逑更重要的是，毫米波的收发机设计也面临着新的挑战，例如相位噪声的增加，放逡逑大器增益的限制以及电路元件的传输线建模等。总的来说

天线阵列,子阵列,交叠,连接方式

混合预编码与波束赋形算法设计，信道估计等方面。在现有的混合模拟与数逡逑字规模天线阵列系统的研究中，主要有两种系统结构得到了学术界的广泛关注与逡逑认可［２９］，如图１－２所示。第一种结构称为全连接结构，该结构下每个射频链路与逡逑全部的天线相连接，此时，所有射频链路的输出在传送至对应的天线之前，都需逡逑要经过一个加法器对信号求和［３Ｑ１。这种结构下每条射频链路都可以获得全部的逡逑天线阵列增益，其劣势在于：系统的开销与复杂度相对较高。第二种结构称为部逡逑分连接结构，该结构下每条射频链路仅仅与一个包含Ｍ根天线的子阵相连接，这逡逑种结构更利于实际场景下基站的天线部署，例如，每个射频链路可以与一列天线逡逑相连接。与全连接结构相比，部分连接结构下每射频链路的天线阵列增益要相对逡逑较低，仅为全连接结构的１／队，其中／Ｖｔ表示总的射频链路数目。在部分连接结构逡逑的基础上，文献［４５］提出了两种更为具体的天线连接方式，如图１－４所示，第一逡逑种称为交错式阵列
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

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