大规模MIMO与OFDM无线通信信道信息获取理论方法研究

发布时间：2017-12-11 23:27

  本文关键词：大规模MIMO与OFDM无线通信信道信息获取理论方法研究

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【摘要】：近年来,各种新的无线应用层出不穷,促使无线数据业务持续迅猛增长。未来移动通信系统期望进一步提高频谱效率,并支持更多的终端以实现万物互联。为实现前述目标,目前大规模天线技术(massive MIMO)和全双工技术有希望竞选进入第五代(5G)移动通信系统的物理层技术,同时第四代(4G)移动通信系统的正交频分复用(OFDM)技术有望被继续沿用到第五代移动通信系统。为了在复杂多变的无线信道上进行数据传输,采用上述物理层技术的未来通信系统需要获取无线信道信息。为此,本论文开展大规模MIMO与OFDM无线通信信道信息获取理论方法研究。首先,研究正交频分复用系统的信道估计问题,重点关注变换域信道估计方法,包括离散余弦变换(DCT)和离散傅里叶变换(DFT)这两种正交变换。变换域信道估计器存在信道泄漏问题,该问题会使得信道估计器的性能变差;为解决该问题,提出采用部分最小均方误差(MMSE)滤波来估计信道泄漏进而恢复信道泄漏成分。具体地,对于基于离散余弦变换估计器,推导出信道在变换域的精确表达式,并基于该表达式给出门限设定方法;进而,基于该表达式提出门限抽取区域外信道泄漏的估计方法,并降低所提出泄漏估计器的实现复杂度。对于基于离散傅里叶变换估计器,推导信道在变换域的精确表达式,并基于该表达式提出低复杂度的信道泄漏估计方法,所提出的方法逼近最优的MMSE估计器。数值仿真验证所提出信道估计算法的优异估计性能。然后,研究大规模天线和正交频分复用系统的导频调度算法,以使被服务用户能有效地获取信道信息。提出利用信道的延时域和角度域这两个维度的特性来为用户分配导频资源,其中延时域特性的利用是通过合适地设计循环移位导频信号来实现的。分析存在导频污染时传播信道的渐近行为,并基于该渐近特性提出增强型匹配滤波(E-MF)预编码器。对于简单的匹配滤波(MF)和精心设计的增强型匹配滤波预编码器,推导出导频污染下信道径数有限及无穷时可达速率的表达式,该可达速率被作为服务质量(QoS)的度量值。进一步,在用户信道同构的假设下分析用户调度问题,得出角度域等间隔排布性质。提出低复杂度的导频调度算法,该算法能最大化服务质量保证用户的数量。数值仿真验证前述可达速率的分析和所提出的用户调度算法在最大化服务质量保证用户的数量上的优异性能。接着,研究由大规模天线基站和全双工中继构成的两层无线通信系统的信道估计问题。在全双工模式运作下,通信系统会存在自干扰和直接链路干扰,这使得信道估计问题具有挑战性。存在上述两种干扰时,考虑两个信道估计问题:单跳信道估计和级连信道估计。单跳信道估计问题中,基站和中继估计它们各自对应的信道;级连信道估计问题中,只有基站估计级连两跳信道。为解决上述两个信道估计问题,提出利用信道波束域稀疏性及其慢变特性的基站侧信道估计器,并分析该估计器正确区分期望信道径和干扰直接链路信道径的概率。此外,基于期望最大化(EM)算法,提出同时估计源至中继信道和中继到中继自干扰信道的中继侧信道估计器,并分析该估计器的性能。数值仿真验证上述分析结果并展示所提出的算法的优异性能。最后,研究频分双工(FDD)大规模天线系统的波束域信道估计问题。在宏蜂窝场景中,由于无线信道的有限散射现象,大规模天线系统的信道在波束域上通常具有稀疏特性。因而,对于波束域信道估计问题,重点关注利用门限方法来抽取稀疏信道的有效信道径。首先,推导门限类信道估计器均方误差(MSE)的闭式表达式,并基于该表达式提出最优门限;进一步,提出仅与噪声方差相关的简化门限。此外,提出辨识波束域公共支集的门限设定方法,并给出利用公共支集的信道估计方法。对于信道反馈问题,提出基于门限的反馈方案,即是说,仅反馈波束域中被门限辨识出的信道径。数值仿真验证理论分析结果及提出的门限类算法的优异性能。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN919.3;TN929.53

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