基于导频复用的大规模MIMO无线传输理论方法研究
本文选题:大规模MIMO + 导频复用 ; 参考:《东南大学》2016年博士论文
【摘要】:为了适应持续呈指数增长的无线业务需求,未来移动通信系统需要在无线物理层传输等多方面实现新的突破。其中,在基站侧配备大规模天线阵列的大规模多输入多输出(MIMO, multiple-input multiple-output)无线传输能够显著提升系统频谱效率和功率效率,被认为是未来移动通信系统最具潜力的研究方向。信道状态信息的获取是MIMO无线传输的基础,目前大规模MIMO无线传输中信道状态信息大多通过周期性发送正交导频来获取,相应的导频开销将随着天线数目线性增长。在中高速移动场景中,导频开销将消耗掉大量的时频资源,构成系统瓶颈。实际室外大规模MIMO无线信道通常呈现能量集中特性,利用这一信道特性,可以提升导频资源的复用能力,降低导频开销。鉴于此,本论文开展基于导频复用的大规模MIMO无线传输理论方法研究。全文主要工作与贡献如下:首先,针对平衰落信道,提出了基于角度域导频复用的大规模MIMO无线传输理论方法。从实际物理信道模型出发,研究了空间相关瑞利衰落大规模MIMO信道特性,证明了当基站侧天线数目趋于无穷大时,信道协方差矩阵的特征向量取决于基站侧阵列响应矢量,特征值取决于信道角度功率谱,从理论上揭示了信道空间相关性与信道角度功率谱之间的关系。基于这一信道模型,进而证明了当复用导频的不同用户其空间到达角的区间互相不重叠时,信道估计均方误差之和能够达到最小值,从理论上证明了在角度扩展受限的空间相关大规模MIMO信道上实施导频复用的可行性。考虑到导频复用可能会导致信道估计性能下降,进而研究了导频复用下的鲁棒上下行传输,推导得到了基于信号检测均方误差之和最小准则的鲁棒上行多用户检测器与鲁棒下行多用户预编码器的闭式表达,证明了两者之间的对偶性。在此基础上,研究了信道估计与信号检测均方误差之和最小准则下的导频调度方法。证明了当复用导频的不同用户其信道空间到达角区间互相不重叠时,两类均方误差性能均达到最优,并基于该最优条件提出了一种基于角度域信道统计特征的低复杂度导频调度算法。数值仿真结果表明,所提出的角度域导频复用相比于传统的正交导频能够显著提升系统净频谱效率。其次,针对采用正交频分复用(OFDM, orthogonal frequency division mul-tiplexing)调制的宽带大规模MIMO传输,提出了基于角度时延域导频复用的大规模MIMO-OFDM信道状态信息获取理论方法。从实际物理信道模型出发,推导得到了大规模MIMO-OFDM信道空间频率相关阵和信道角度时延功率谱之间的关系。从理论上证明,当基站侧天线数目趋于无穷大时,不同用户信道空间频率相关阵的特征向量趋近于相同,而特征值取决于各自的信道角度时延功率谱,从理论上揭示了大规模MIMO-OFDM信道在角度时延域的近似稀疏特性。基于这一信道模型,提出了频域相移可调导频,研究了基于频域相移可调导频的信道状态信息获取理论方法,并从理论上证明,当经过频域相移导频调度后的各用户等效信道在角度时延域互相不重叠时,相应的信道估计与信道预测均方误差之和均能达到最小值。依据该信道状态信息获取最优条件,进而提出了一种低复杂度的频域相移导频调度算法。上述结果在单个和多个连续OFDM符号的场景下均进行了论证。典型移动场景下的数值仿真结果表明,所提出的相移可调导频相比于传统的相移正交导频能够显著提升系统频谱效率。最后,针对毫米波/太赫兹大规模MIMO系统,提出了基于逐波束时频同步的波束分多址传输理论方法。从大规模MIMO波束域物理信道模型出发,证明了当基站侧与用户侧配置的天线数目均充分大时,波束域信道元素趋向于具有统计不相关特性且元素方差取决于信道角度功率谱。此外,波束域信道元素的包络趋向于不随时间和频率起伏。基于这一波束域信道特征,提出逐波束时频同步方法。从理论上证明了与传统的天线域同步相比,所提出的逐波束同步能够同时缩减宽带大规模MIMO信道的等效时延扩展和多普勒频率扩展,且缩减因子近似等于用户端配备的天线数目。进一步将所提出的逐波束同步方法应用于大规模MIMO波束分多址传输,研究了基站侧与用户端射频链路数目受限情形下的波束调度问题,并提出了一种基于波束域信道统计特征的低复杂度波束调度算法。典型移动场景下的数值仿真结果表明,在波束分多址传输框架下,所提出的逐波束同步方法相比传统的天线域同步方法能够显著降低波束域信道的多径效应和多普勒效应,提升其导频复用信道估计性能和无线传输性能,进而提升对毫米波/太赫兹信道下用户终端移动性的支持。
[Abstract]:In order to adapt to the continuous exponential growth of wireless service demand, future mobile communication systems need to achieve new breakthroughs in many aspects, such as wireless physical layer transmission. Among them, large-scale multi input and multiple output (MIMO, multiple-input multiple-output) wireless transmission with large antenna arrays on the base station side can significantly improve the spectrum efficiency of the system. Rate and power efficiency are considered as the most potential research direction of future mobile communication systems. The acquisition of channel state information is the basis of MIMO wireless transmission. At present, the channel state information in large-scale MIMO wireless transmission is mostly obtained through the periodic transmission of orthogonal pilot, and the corresponding pilot overhead will increase linearly with the number of antennas. In the medium and high speed mobile scene, the pilot cost will consume a large number of time and frequency resources and constitute the bottleneck of the system. The actual outdoor large-scale MIMO wireless channel usually presents the characteristics of the energy concentration. Using this channel characteristic, the multiplexing ability of the pilot resource can be improved and the pilot cost can be reduced. In this paper, a large-scale MI based on pilot multiplexing is carried out in this paper. The main work and contributions of the MO wireless transmission theory are as follows: first, a large scale MIMO wireless transmission theory based on angular domain pilot multiplexing is proposed for flat fading channels. Based on the actual physical channel model, the characteristics of the space related Rayleigh fading large conventional mode MIMO channel are studied, and the number of antenna number in the base station side is proved. When the mesh tends to infinity, the eigenvector of the channel covariance matrix depends on the response vector of the base station array, and the eigenvalue depends on the channel angle power spectrum. The relationship between the channel spatial correlation and the channel angle power spectrum is theoretically revealed. The sum of the mean square error of the channel estimation can be minimized when the range of the angle is not overlapped. It is theoretically proved that the pilot multiplexing is feasible on a space related large-scale MIMO channel with limited angle expansion. In the downlink transmission, the closed expression of robust uplink multiuser detector and robust downlink multiuser precoder based on the sum of mean square error of signal detection is derived, and the duality between the two is proved. On this basis, the pilot scheduler under the minimum sum of mean square error of channel estimation and signal detection is studied. The method. It is proved that the performance of the two class mean square error is optimal when the channel space of the different users with multiplex pilots does not overlap each other in the channel space. Based on the optimal condition, a low complexity pilot scheduling algorithm based on the statistical characteristics of the angle domain channel is proposed. The numerical simulation results show that the proposed angle domain pilot multiplexing phase is proposed. Compared with the traditional orthogonal pilot, the net spectrum efficiency of the system can be significantly improved. Secondly, a large-scale MIMO-OFDM channel state information acquisition method based on OFDM (orthogonal frequency division mul-tiplexing) modulation based on wide-band and large-scale MIMO transmission is proposed. Based on the physical channel model, the relationship between the spatial frequency correlation matrix of a large MIMO-OFDM channel and the time delay power spectrum of the channel angle is derived. It is proved theoretically that when the number of the base station side antennas tends to infinity, the eigenvectors of the spatial frequency correlation array of different user channels are similar, and the eigenvalues depend on their respective channels. The angle delay power spectrum reveals the approximate sparse characteristic of the large scale MIMO-OFDM channel in the angle delay domain. Based on this channel model, the frequency domain phase-shift tunable pilot is proposed. The theoretical method of channel state information acquisition based on the frequency domain phase-shift adjustable pilot is studied. It is proved theoretically in the frequency domain phase shift pilot modulation. The sum of the corresponding channel estimation and the mean square error of the channel prediction can be minimized when the angle delay domain of each user after the degree is not overlapped. The optimal condition is obtained according to the state information of the channel. Then a frequency domain phase shift pilot scheduling algorithm with low complexity is proposed. The results are in a single and multiple continuous OFDM characters. The numerical simulation results in a typical mobile scene show that the proposed phase-shift pilot can significantly improve the spectral efficiency of the system compared with the traditional phase shift orthogonal pilot. Finally, a beamsharing multi address transmission based on time frequency synchronization is proposed for the millimeter wave / terahertz large-scale MIMO system. From the large-scale MIMO beam domain physical channel model, it is proved that when the number of antennas at the base station side and the user side is all large, the beam channel elements tend to have statistical uncorrelation and the element variance depends on the channel angle power spectrum. In addition, the envelope of the channel elements of the wave beam domain is not dependent on the time. And frequency fluctuation. Based on the characteristics of this wave domain channel, a beamforming time frequency synchronization method is proposed. Theoretically, compared with the traditional antenna domain synchronization, the proposed beamforming can simultaneously reduce the equivalent delay expansion and Doppler frequency expansion of the wide-band large scale MIMO channel, and the reduction factor is approximately equal to the user end allocation. The number of antennas is further applied to the large scale MIMO beam division multiple access (mmdma) transmission. The beam scheduling problem is studied under the limited number of radio frequency links in the base station side and the user side, and a low complex beamforming algorithm based on the statistical characteristics of the beam domain channel is proposed. The numerical simulation results show that the proposed beambeam synchronization method can significantly reduce the multipath effect and the Doppler effect in the beam domain channel, and improve the performance of the pilot multiplexing channel estimation and the wireless transmission performance, and then improve the millimeter wave / terahertz channel. The support of the mobility of the lower end user terminal.
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN919.3
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 郭树理,段志生,黄琳;MIMO连续系统中可交换矩阵的充要条件[J];电机与控制学报;2001年03期
2 凌睿;柴毅;;MIMO非线性不确定系统二阶滑模控制[J];计算机工程与应用;2009年36期
3 李征;刘南;陶欢;;MIMO雷达对分布式目标测向研究[J];火控雷达技术;2008年03期
4 饶文元,戴利云,王军选;MIMO通信中的分集与复用[J];北京电子科技学院学报;2004年04期
5 苏晓东;;MIMO无线信道的测量[J];信息技术;2009年07期
6 杨明磊;陈伯孝;齐飞林;张守宏;;多载频MIMO雷达的模糊函数[J];系统工程与电子技术;2009年01期
7 陈永辉;朱光喜;王德胜;;一种基于协作MIMO的Relay-STBC-HARQ策略及其性能分析[J];微电子学与计算机;2009年07期
8 马鹏;王伟;张剑云;;非合作源MIMO雷达的多目标定位与参数估计[J];安徽大学学报(自然科学版);2010年01期
9 肖文书;;MIMO雷达中的信号检测[J];电子学报;2010年03期
10 关雪梅;陈纯锴;;基于MIMO的垂直分层空时码检测算法研究[J];电信科学;2010年08期
相关会议论文 前10条
1 满化录;刘中仁;;一类MIMO对象的鲁棒模型参考自适应控制[A];1995中国控制与决策学术年会论文集[C];1995年
2 李宇;王彪;黄海宁;李淑秋;张春华;;MIMO探测声纳研究[A];中国声学学会2007年青年学术会议论文集(下)[C];2007年
3 顾敬民;梁涛;于勇;;一种新的MIMO发射功率分配算法研究[A];通信理论与信号处理新进展——2005年通信理论与信号处理年会论文集[C];2005年
4 张亚婷;席安安;黄志忠;;新体制MIMO数字阵列雷达的发展及其应用[A];第八届全国信号与信息处理联合学术会议论文集[C];2009年
5 王中鹏;吴伟陵;;MIMO通信系统在相关信道下的性能分析[A];现代通信理论与信号处理进展——2003年通信理论与信号处理年会论文集[C];2003年
6 李常青;卢满宏;谌明;;MIMO在火星探测中的应用研究[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第十届学术年会论文集[C];2013年
7 张蕾;李道本;;基于空间概念的MIMO容量及功率分配方案[A];现代通信理论与信号处理进展——2003年通信理论与信号处理年会论文集[C];2003年
8 车斌;颜罡;钱澄;;应用于移动终端的方向图可重构MIMO天线[A];2009年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2009年
9 李海强;李颖;张元龙;;多用户MIMO中继通信系统中的网络预编码方案[A];中国电子学会第十六届信息论学术年会论文集[C];2009年
10 张志勇;孙季丰;;基于SMC的MIMO快时变平坦信道盲跟踪[A];全国第二届信号处理与应用学术会议专刊[C];2008年
相关重要报纸文章 前2条
1 本报记者 柴莎莎;MIMO芯片的4×4高速挡[N];网络世界;2010年
2 ;安捷伦推出MIMO接收机测试仪[N];人民邮电;2008年
相关博士学位论文 前10条
1 王夏男;多用户MIMO中继系统的干扰消除技术研究[D];北京邮电大学;2015年
2 巩朋成;MIMO雷达波形优化与参数估计方法研究[D];电子科技大学;2014年
3 汪霜玲;MIMO雷达目标检测与波形设计及在天波超视距雷达中的应用[D];电子科技大学;2014年
4 尤力;基于导频复用的大规模MIMO无线传输理论方法研究[D];东南大学;2016年
5 朱江章;MIMO宽带无线通信中的空时信号处理与信道估计研究[D];湖南大学;2007年
6 孙继禹;MIMO雷达成像的电磁分析与模拟[D];哈尔滨工程大学;2012年
7 于晓燕;双选择性信道与空间相关信道下MIMO无线通信系统中的信道估计[D];东南大学;2006年
8 车小林;MIMO无线通信系统的预处理和频域均衡技术研究[D];上海交通大学;2009年
9 熊飞;分布式天线系统中信道测量和MIMO传输技术研究[D];北京邮电大学;2011年
10 肖雳;无源和有源MIMO天线性能的关键指标研究及测试验证[D];北京邮电大学;2013年
相关硕士学位论文 前10条
1 徐敏;虚拟MIMO网络中基于联盟博弈的稳定用户匹配[D];华南理工大学;2015年
2 王得旺;双基地MIMO雷达系统设计与仿真研究[D];兰州大学;2015年
3 王珍;双基地MIMO雷达系统设计与实验研究[D];电子科技大学;2015年
4 卢颖辉;多用户大规模MIMO上行系统信道估计方法研究[D];大连海事大学;2015年
5 李彦波;MIMO雷达中虚拟孔径空时处理技术研究[D];电子科技大学;2015年
6 陈龙;多用户MIMO上下行用户调度与传输技术研究[D];电子科技大学;2014年
7 赵腾飞;多用户MIMO用户调度方法及性能分析[D];电子科技大学;2014年
8 李鹭;基于MIMO的双绞线高速传输仿真平台研发[D];电子科技大学;2014年
9 刘周;双基地MIMO雷达实验系统校正与目标检测实验研究[D];电子科技大学;2014年
10 杨燕;MIMO雷达正交波形设计与仿真实验研究[D];中国科学院大学(工程管理与信息技术学院);2015年
,本文编号:2093406
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/2093406.html