MIMO预编码有限反馈系统关键技术研究

发布时间：2020-05-15 23:55

【摘要】：多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统发射端已知信道状态信息时,能运用信道自适应技术提高系统性能。在频分复用系统中,MIMO有限反馈及相关技术成为制约其获得更高系统性能的关键因素且已被广泛研究。随着MIMO技术的发展,该领域研究对象开始聚焦在信道时空相关MIMO系统以及新硬件架构MIMO系统。本文围绕MIMO预编码有限反馈系统关键技术展开研究,具体研究内容和主要贡献如下所述。(1)针对毫米波大规模MIMO混合预编码有限反馈系统下高效信道估计问题,利用MIMO虚拟信道模型对具有一定角度扩展的毫米波大规模MIMO信道进行分析,阐述其角度域等效信道矢量化后具有链式块稀疏结构且块内数据具有一定相关性;设计基于矩阵分解的信号预处理方法,将该系统基于训练的信道估计问题建模为块稀疏信号重构问题;提出一种基于块稀疏贝叶斯学习的信道估计算法,并给出该算法下块数据尺寸的估算方法。仿真数据表明,在一定信道训练序列长度下,该信道估计算法能利用毫米波大规模MIMO信道结构化稀疏特点提高信道估计的性能,相比现有算法更适用低信噪比场景。(2)针对毫米波大规模MIMO混合预编码有限反馈系统中量化码本的设计问题,从毫米波大规模MIMO信道空间稀疏结构出发,分析了在阵列响应矢量组成的完备字典下最优预编码矢量的稀疏表示具有联合稀疏特性;运用字典学习思想,将模拟和数字预编码器量化码本设计问题建模为联合优化问题,并给出一种逐码字优化的迭代算法生成任意尺寸和相位分辨率的模拟预编码器量化码本;对于本文码本联合优化问题中的基跟踪算法设计,给出一种基于联合稀疏的混合预编码设计方案。仿真数据表明,联合使用本文提出的码本设计方案和混合预编码算法能获得一定系统性能提升。(3)针对毫米波大规模MIMO混合预编码系统中信道状态信息的高效反馈策略问题,考虑到增加射频链路数目是一种提高该系统性能的有效策略,分析此时最优预编码器矩阵在由阵列响应矢量组成的码本下将具有近似的块稀疏表达,将混合预编码器设计问题建模为块稀疏近似表示问题;给出了一种基于贪婪分簇思想的混合预编码器设计算法;针对该预编码算法中参数:块稀疏表达矩阵中非零行矢量块个数和系统取得次优性能所需射频链个数,给出一种基于信道子簇间关系的近似估算方法。仿真数据表明,在适当参数下,本文混合预编码有限反馈方案既能有效降低反馈模拟预编码器信息所需的比特量,又能获得接近于已有混合预编码算法的系统性能。(4)针对信道时间相关MISO系统自适应差分反馈策略中码本设计问题,给出了两种球帽差分码本构造方法,其一:以格拉斯曼码本为基码本,由其码字经矢量线性和旋转运算得到,其二:由中心码字和两个对应不同半径的极帽码本组成,故称为双极帽码本;给出两种差分码本随时间变化的球帽半径估算方法,其中针对第一种球帽码本方案,从码本构造方法入手推导出能更快地趋于稳定的差分码本球帽半径计算方法。仿真数据表明,基于本文球帽码本的自适应差分反馈策略能获得随时间增加并趋于稳定的系统容量,并且整体性能较现有算法有一定提升。
【图文】：

１．１．１邋ＭＩＭＯ技术及发展逡逑多输入多输出（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ｉｎｐｕｔ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ｏｕｔｐｕｔ，邋ＭＥＭＯ邋）技术是指通信系统收逡逑发两端都配备多个天线来实现信号无线传输，如图１－１所示＋３］。早期ＭＩＭＯ技术逡逑在通信系统的应用主要集中于无线通信系统收发单端配置天线阵列，直到上世纪逡逑９０年代，学者们给出在无线通信系统收发机都配置多天线的思想，以求获得更高逡逑数据传输速率［４］。针对多天线复高斯衰落信道，学者Ｔｅｌａｔａｒ在文献［５］中论述了利逡逑用多天线改善无线通信系统性能的理论依据，并详细分析了该信道的系统容量。逡逑同时期，频谱效率可达１０－２０ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ的分层空时Ｖ－ＢＬＡＳＴ系统［６］由贝尔实验室开逡逑发成功。基于这些早期的基础性研究，ＭＩＭＯ技术已经取得了极大发展。在近三逡逑十年来通信技术发展进程中，，ＭＩＭＯ及其相关技术己被业界公认为是提高系统通逡逑信性能的无线通信核心技术之一邋［１＿３］。逡逑Ｓ７邋—＾逦逦逦？邋Ｖ７逡逑————逡逑Ｔ逦空时合并逡逑编码邋＿＿逦ｙｈ１Ｎｙｒ邋＿逦处理逡逑比特流比特流逡逑付万映射ｎ厂．．解符号映射逡逑空时预处理逦解码逡逑图１－１邋ＭＩＭＯ无线通信系统示意图［２］逡逑如图１邋－１

图１－２邋ＭＩＭＯ有限反馈系统示意图逡逑（１）发射端信道自适应传输技术逡逑采用ＭＩＭＯ系统信道自适应技术，发射端和接收端能利用信道空时衰空时域信号处理算法对发射信号和接收信号联合设计，获取更高的系和通信可靠性［５２］。ＭＩＭＯ系统信道自适应技术主要包括：功率分配技调制技术、预编码技术、天线选择以及多用户调度技术等［５２］，这些技得深入研究。逡逑１）功率分配技术：在ＭＩＭＯ系统中可以根据ＣＳＩＴ，给每流数据合理率能获得系统容量的提升。对于ＳＵ－ＭＩＭＯ系统，文献［５，１２］指出：系分别以信道矩阵的左右奇异矢量实现信号接收和发送，则ＭＩＭＯ信道并行无干扰信道，再由功率注水算法对每个等效信道进行功率分配可最大容量。对于多用户ＭＩＭＯ系统，文献［１１，１３－１５］研究了多址接入信道的系统容量，并指出通过迭代功率注水算法可达系统最大和容量。述知，功率分配技术是提升ＭＩＭＯ系统可达容量的重要途径。逡逑２）自适应调制编码技术：在ＳＵ－ＭＩＭＯ系统的多特征模式发射中，发
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN919.3

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本文编号：2665816