毫米波大规模MIMO系统中能量高效的混合预编码研究

发布时间：2020-04-19 15:15

【摘要】：随着人们对无线高速数据通信需求的与日俱增,当前的移动通信系统面临着频谱资源短缺、吞吐量小、传输时延高等性能瓶颈。毫米波频段提供了丰富的频谱资源,并且,毫米波技术与大规模MIMO技术结合形成的毫米波大规模MIMO系统一方面解决了频谱资源短缺的问题,另一方面可以在基站侧配置大规模天线阵列,提供充足的天线阵列增益、提升系统吞吐量。因此,毫米波大规模MIMO技术成为了5G的关键技术之一。本论文选题来源于企业科研合作项目——《新一代网络关键技术与业务分析技术研究》,重点对毫米波大规模MIMO系统中子连接型结构下的混合预编码问题进行了研究,分别提出了开关网络结构下与移相器结构下的混合预编码算法。具体的研究工作如下:1)综述了毫米波大规模MIMO系统与信号预编码的相关研究。首先阐述了毫米波技术并对毫米波大规模MIMO技术的基本概念以及研究方向进行了介绍,然后着重梳理了全数字预编码与混合预编码的基本原理、研究现状以及相应的优缺点。2)针对开关网络结构,提出了能量高效的混合预编码算法。以能量效率最大化为目标对混合预编码进行设计,提出了两步优化方法。该算法将原始的多变量非凸优化问题进行解耦并分别利用交叉熵优化与一种迭代优化算法求解。仿真结果表明本文提出的两步优化方法在保证用户QoS的情况下,始终能实现较高的系统能效。3)针对移相器结构,提出了能量高效的混合预编码算法。以能量效率最大化为目标进行混合预编码设计,提出了基于信道相位提取的优化方法。该算法首先将模拟域的设计问题转化为等效信道增益最大化问题并用相位提取方法进行求解。在对模拟域进行设计之后,采用块对角化预编码算法将数字预编码器/接收机的问题转化为分式规划问题求解。仿真结果表明,本文提出的预编码算法可以在频谱效率与能量效率之间实现较好的折中。
【图文】：

功率降低,信号发射,技术,示意图

２．１．３毫米波大规模ＭＩＭＯ系统简介逡逑本节首先以单用户ＭＩＭＯ邋（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｕｓｅｒ邋ＭＩＭＯ，ＳＵ－ＭＩＭＯ）系统为例，，对逡逑典型的ＭＩＭＯ系统进行介绍。如图２－１所示，ＭＩＭ？技术是指在发射端和接收逡逑端均部署了多根天线，信号通过发射端与接收端的多个天线进行发射和接收的一逡逑种技术。这种ＭＩＭＯ系统与单发单收的系统相比，一方面能够充分挖掘空间资逡逑源，获得分集增益，提升通信链路的稳定性；另一方面可以在不增加频谱资源和逡逑天线发射功率的情况下获得复用增益。已有研究证明，采用ＭＩＭＯ技术可以成逡逑倍的提高系统信道容量。由于其巨大的性能优势，目前被广泛地应用到了移动通逡逑信系统。逡逑大规模ＭＩＭＯ技术是贝尔实验室Ｍａｒｚｅｔｔａ在２０１０年提出来的，它将传统逡逑ＭＩＭＯ系统中天线的数量提高到成百上千甚至无穷多根，进一步的挖掘信道空逡逑间资源。其模型与图２－１类似

预编码,连接型

北京邮电大学工学硕士学位论文逡逑在毫米波大规模ＭＩＭＯ系统中，发射端部署了成百上千根天线。如果继续逡逑使用图２－２中的结构，则需要与天线相同的数目的射频链与数模转换器，这会带逡逑来巨大的部署成本与功耗。为了解决这个问题，学术界提出了混合预编码方案。逡逑如图２－３所示，目前混合预编码的类型按其硬件结构可分为全连接型与子连接型，逡逑其中子连接型又可以分为固定子连接型和自适应子连接型（将在后文中详细介逡逑绍）。此外，无论哪种结构，在对预编码进行设计时都需要考虑移相器精度、ＲＦ逡逑链数目、ＤＡＣ／ＡＤＣ精度等对系统的影响。逡逑逦邋－１逦ｐ邋移相器精度逡逑逦邋全连接型逡逑＇混合预ｆ码类Ｉ逡逑逦逦逦邋逦逦邋＾逦—逦邋－邋＃－（邋ＲＦ链数邋Ｂ逡逑１■子连接型－逡逑自适应子连逦逦逡逑逦逦＾逦邋Ｊ逦ＤＡＧ／ＡＤＣ精度逡逑图２－３混合预编码研究内容逡逑图２－４展示了两种预编码结构，其中图２－４邋（ａ）是经典的全连接结构，每个逡逑射频链通过移相器与所有天线相连接。该结构将预编码分为了较高维度的模拟预逡逑编码和一个较低维度的数字预编码，不需要每个天线对应一个射频链。不足的是，逡逑虽然只需要较少的射频链，大大减少了部署成本和功率消耗并且有较高的预编码逡逑自由度，但由于每个射频链需要通过多个移相器与所有天线相连接，依然有着较逡逑高的功耗。为了解决移相器过多的问题
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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