移动通信系统中的大规模MIMO技术研究

发布时间：2020-07-15 10:28

【摘要】：随着近年来移动数据业务和用户接入数量的爆炸性增长,大规模多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术的高频谱效率和高能量效率优势已经得到学术界和工业界的普遍认可,使得其成为第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication,5G)的关键技术之一。然而,大规模MIMO系统的实现与部署仍存在一定的挑战,比如大规模MIMO系统的信道反馈压缩问题、信道非理想反馈的波束赋形问题,异构网络中部分收发机的激活与协同波束赋形问题等。此外,大规模MIMO和非正交多址接入技术的融合也是一个值得研究的问题。基于以上存在的问题,本文研究了大规模MIMO系统中的信道状态信息(Channel State Information,CSI)压缩反馈技术,然后针对大规模MIMO系统的CSI反馈不完美,研究了大规模MIMO系统中的混合波束赋形和中断概率约束下的高能量效率与高频谱效率协同波束赋形,并研究和评估了实际信道估计下大规模MIMO非正交多址系统的下行性能。具体地,本文的主要研究内容和贡献如下:首先,大规模MIMO的信道矩阵维度非常高,直接反馈测量接收到的信道信息将会占用大量的频谱资源,导致系统的有效容量显著下降。庆幸的是,现有研究表明大规模MIMO信道具有很强的相关性。基于高维强相关数据会落在维度很低的仿射包中这一预期的性质,论文首先提出了一种基于仿射集拟合(Affine Set Fitting,ASF)的方法来减少大规模MIMO系统的CSI反馈开销。并且,该算法的复杂度相比于二维离散余弦变换和卡洛南-洛伊变换基算法的复杂度要低,特别适用于用户端接收机运算能力有限的这一现实场景。另外,建议的ASF算法具有与经典的主成分分析同样的性能,并且具有噪声抑制的能力。由于有限的信道压缩反馈会造成一定的精度损失,同时CSI估计的非理想以及反馈存在时延,发射机侧获取每个用户完美CSI信息是不现实的。基于大规模MIMO系统的CSI反馈非理想这一现实场景,研究了最小化CSI均方误差混合波束赋形问题,通过将模拟域波束赋形矩阵和数字域波束赋形矩阵变量替换为一个全数字域波束赋形矩阵,接着应用半正定松弛将原问题转化为一个半正定规划(Semidefinite Programming,SDP)问题,并提出了一种交替迭代鲁棒性混合波束赋形算法以获得最优的全数字域波束赋形矩阵,最后根据两阶段迭代算法分别得到原问题的模拟域和数字域波束赋形矩阵。其次,在大规模MIMO异构云无线接入网络中,考虑不完美的CSI以及射频拉远(Remote Radio Head,RRH)的回传链路功率不可忽略,研究了联合RRH激活与中断概率受限的波束赋形设计问题。为了求解该问题,文章首先研究了给定激活RRH集合下的波束赋形设计问题,应用Bernstein-type不等式来处理该问题中的中断概率约束条件,将该转化为一个SDP问题,从而可以利用凸优化工具包求解。随后,利用最优波束赋形向量集合的组稀疏结构,构造目标函数的一个凸松弛来最小化关于波束赋形向量的加权组稀疏诱导范数,同样应用Bernstein-type不等式来处理该问题中的中断概率约束问题,将经过凸松弛后的问题转化为一个SDP问题并利用凸优化工具包求解得到凸松弛后的最优波束赋形矩阵,利用求解得到的最优波束赋形矩阵和系统参数得到一个RRHs关闭的优先级。最后,提出了一种基于二分法的RRH激活与协同波束赋形联合优化方案来获得最小化网络能耗的波束赋形矩阵。仿真结果表明,在低信噪比情景下,该算法可以将网络功耗显著降低28%。此外,该算法可以获得接近穷举搜索算法的性能,同时具有低得多的计算复杂度。最后,研究了大规模MIMO与非正交多址相结合的问题。分析了下行大规模MIMO与功率域非正交多址技术相结合的5G通信系统下行链路的理论增益,给出了采用加权最大和速率的功率分配方案在实际系统中不同场景下的增益。在此基础上,我们提出了一种低复杂度、性能较好的功率域、频域和空域的联合编码调制方案,不同用户仍旧采用功率域区分,每个用户的数据流在空域和频域内QO-SFBC联合编码,使得各个数据流具有相同的检测分集度,以保证各个数据流具有相近的性能。此外,还提出了一种非理想干扰删除下的各层数据流的编码码率的优化准则,并根据该准则对每个用户的各层数据流的编码码率进行优化。
【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】：TN929.5
【图文】：

未来移动通信,场景

以及低检测复杂度优势，不仅进一步提升了系统的容量，还大大丰富了邋４Ｇ系统可的业务类型，同时也降低了终端的制造成本，并且更加成熟和广泛的采用ＭＩＭＯ术使得系统的容量得到显著提升。另外，４Ｇ系统在系统架构上也进行了革新，用了扁平化的全ＩＰ网络架构，取消了第二代和第三代移动通信系统中的基站控器功能模块，极大的降低了网络结构的复杂性，系统内部的信令交互操作大大少，系统的时延明显地降低。根据全球移动设备供应商协会（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｓｕｐｐｌｉｅｒｓｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，邋ＧＳＡ）邋２０１８年最新发布的报告，截止到２０１８年４月，全球一共有２０４国家和地区部署了邋６７２张ＬＴＥ和ＬＴＥ－Ａ网络，其中包括了邋５８个国家和地区部署１１１邋张邋ＴＤ－ＬＴＥ邋（Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ－Ｌｏｎｇ邋ＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）网络，以及邋１１５邋个国家和地区署的２４１张ＬＴＥ－Ａ网络，覆盖用户超过２０亿［３］。我国也是持续加大投入信息基础施建设，截止到目前仅中国移动的ＴＤ＿ＬＴＥ基站就有１９１万个，用户数达６．７亿，规模和用户数均居全球第一。得益于４Ｇ系统的高容量和低时延，移动电子商务戏娱乐、视频直播这些产业近五年来得到快速发展。同时，一大批基于移动互

未来工业,信息技术

第一章绪论逡逑网的应用迅速进入我们的生活，如滴滴打车、共享单车、移动支付等给人们的生活逡逑带来了极大的便利，并一定程度上改变了人们的生活方式。逡逑在移动互联网蓬勃发展的新形势下，移动通信在商业、政务、民生和工业领域逡逑的应用迅速推广开来，目前我国己经在网络购物、移动支付、共享经济等新业态上逡逑处于领先地位，政府也在全面推广高效的互联网政务系统，移动通信也在医疗、教逡逑育、公共交通等领域得到广泛的应用，如图１－１显示了未来移动通信更多的应用场逡逑景。在工业领域，推动信息化与工业化深度融合成为实现中国制造２０２５强国战略的逡逑关键组成部分，中国制造２０２５提出全面突破第五代移动通信（５ｔｈ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋Ｍｏｂｉｌｅ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，邋５Ｇ）技术，突破下一代网络的核心技术和体系架构，先进的自主创新逡逑的信息技术和工业智能化的融合也迅速引起产业界、学术界和国家层面的重视，信息逡逑技术已经成为未来全球经济增长和社会发展的制高点，全球几个主要制造强国均发逡逑布了以信息技术为核心之一的战略发展计划，如图１－２。未来网络中将会有大量多样逡逑第四次工业革命＇逡逑

关键能力,场景,完成性,信息技术产业

代信息技术产业的关键一环，关系到“中国制造２０２５”发展战略的成败，工信部、发改委和科技部联合推动成立了邋“ＩＭＴ－２０２０邋（５Ｇ）推进组”进５Ｇ技术研发试验工作，并发布了《５Ｇ技术研发试验总体方案》，确发的“两步走”战略：２０１５年至２０１８年，主要进行核心技术研宄与原１８年至２０２０年，主要从事产品研发试验。２０１４年１月，国家８６３计划移动通信系统先期研宄重大项目。该项目一期课题的主要技术目标包络的应用场景、系统架构、无线传输、新型射频等关键技术，完成性系统设计，开展无线传输技术试验。逡逑止到２０１５年６月，经过ＩＴＵ和３ＧＰＰ两大国际电信组织、多国政府、高及多家通信设备商的共同努力，ＩＭＴ－２０２０被命名为５Ｇ网络的技术规立了邋５Ｇ的八项关键能力，给出了未来５Ｇ的三大主要应用场景［９］。如中八项关键能力包括：（１）用户体验数据速率，即移动用户在网络覆地方，上网速率至少达１００Ｍｂｐｓ，在热点地区可以达ｌＧｂｐｓ；邋（２）峰值用户在理想情况下能获得的最大上网速率，最高达２０Ｇｂｐｓ；邋（３）移动一ｏＳ，５００／

【参考文献】