大规模MIMO系统互易性校准理论与方法研究

发布时间：2019-12-04 05:18

【摘要】：飞速增长的信息获取和信息交互的需求是驱动移动通信技术不断发展的核心动力。新一代移动通信系统对信息传输的速率、时延、可靠性等各方面都提出了更高的要求。其中,大规模多输入多输出(Large-scale MIMO或者称Massive MIMO)已经成为下一代无线通信系统的关键技术,而受到学术界和工业界越来越多的关注。在发送端配置数量非常大的天线,可以显著增强空间分辨率,极大提高系统的频谱效率和能量效率。在大规模MIMO系统中,时分双工(Time Division Duplexing, TDD)将成为主要的通信方式。利用信道互易性,基站(Base Station, BS)端可以根据估计得到的上行信道的信道状态信息(Channel State Information, CSI)来进行下行联合预编码的设计,在同-时频资源上服务多个用户(User Equipment, UE)。同时,下行只需发送预编码导频,用于UE的信道估计,上行与下行的导频数均只与UE数成比例,系统开销大大降低。然而,在实际通信中,完整的通信信道不仅包括空中的无线信道,还包括发送机和接收机的射频(Radio Frequency, RF)电路,而RF增益的失配破坏了通信信道的互易性。因此,在TDD系统中,采用下行预编码技术时,必须要对RF增益进行补偿,即进行互易性校准。本论文对大规模MIMO系统的信道信息获取理论与方法进行深入分析,重点研究了大规模MIMO系统互易性校准问题,提出性能较好、可行性较强的互易性校准算法,保证了TDD模式下完整通信信道的互易性。首先,分析大规模MIMO系统RF失配时的系统性能。根据RF增益的信道模型,分别针对迫零(Zero Forcing, ZF)预编码和最大比发送(Maximal Ratio Transmit, MRT)预编码,推导出RF增益失配时系统遍历和速率的闭合表达式,分析影响系统性能的参数。结果表明,对于UE端的RF增益,相位失配对系统性能没有影响,而幅度失配对系统性能的影响也非常小,可以忽略。同时,BS端的RF增益失配是造成系统性能下降的主要原因。无论是相位失配还是幅度失配都会造成系统遍历和速率的大大降低。因此,必须要对BS端的RF增益进行补偿。进一步发现,通过完美部分校准,可以消除BS端RF失配对系统性能所造成的影响。其次,研究集中式大规模MIMO系统互耦校准算法。分别针对ZF预编码和MRT预编码,提出相应的互耦校准算法。校准过程既没有引入额外的硬件校准电路,也无需用户的参与,而是利用相邻天线间的强互耦效应来进行校准系数的计算。对校准误差进行建模,分析了校准算法的性能和复杂度,给出了校准后系统遍历和速率的表达式。在校准之后,仅基站端RF增益幅度失配会引起系统和速率的略微降低,相位失配对系统性能没有影响。仿真实验对校准算法进行验证,发现将ZF预编码校准系数应用于MRT预编码会造成系统性能下降,于是提出适用于MRT预编码的校准算法。与基于最小二乘(Least Square, LS)校准框架的算法相比,互耦校准算法大大降低了实现的复杂度,较好的获得了复杂度和性能的折中。再次,研究分布式大规模MIMO系统迭代坐标下降校准算法。首先,考虑当接入节点(Access Point, AP)端和UE端都是单天线时,证明部分校准的LS算法,与全端校准的总体最小二乘(Total Least Square, TLS)算法应用于部分校准情况时的等价性。进一步提出一种迭代坐标下降(Iterative Coordinate Descent, ICD)部分校准算法,性能几乎与LS算法相同,且远优于Argos算法,并大大降低了实现的复杂度。而当AP端和UE端均配置多根天线时,系统采用块对角化(BlockDiagonalization, BD)预编码。分析得出,在AP端完美部分校准的情况下,由于UE端RF失配,系统仍存在流间干扰。推导出TLS算法的优化目标函数表达式,并进一步提出一种ICD全端校准算法。在基本达到了TLS算法的性能的情况下,ICD算法收敛速度快,避免了TLS算法较大的复杂度。最后,研究分布式大规模MIMO系统基于部分校准算法的信号传输方法。当AP端和UE端均配置多根天线时,AP端采用一种低复杂度的BD预编码进行下行信号的发送。为了避免全端校准算法巨大的复杂度和资源开销,设计基于部分校准的上下行信号联合传输方案。在下行传输时,UE端通过最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)接收机就可以消除数据的流间干扰。而在上行传输时,AP端只需要使用简单的最大比合并(Maximal Ratio Combining, MRC)接收机就可以分辨出每个UE发送的数据流。此外,AP端只需要对干扰抑制矩阵计算一次,就可以同时在下行和上行的信号传输中使用,有效地降低了系统的计算开销,获得更高的性能。同时,针对分布式天线系统中接入节点天线之间校准信道变化较快的问题,提出了分集合并LS算法,获得分集增益来提高系统性能和稳定性。
【图文】：

移动通信技术,移动通信系统,移动电话系统

ｔｉｏｎＳｙｓ化ｍ）诞生ｙ？来，基本上每过］0年就会产生一代标志性的技术革新，经过３０多逡逑年的演变和发展，实现系统容量的成倍提升，也催生出丰富多样的新型业务。移动通逡逑信技术标准的演进如图１．１所示。第一代移动通信系统Ｗ频分多址（ＦＤＭＡ，邋Ｆｒｅｑｕｅｎ巧逡逑ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）技术为标志，根据贝尔实验室提出的蜂窝小区概念，主要进斤逡逑基于模拟信号传输的语音业务。主要包括高级移动电话系统（ＡＭＰＳ，邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｍｏｂｉｌｅ逡逑Ｐｈｏｎｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ），全址接入通信系统（ＴＡＧＳ，邋Ｔｏｔａｌ邋Ａｃｃｅｓｓ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｙ化ｍ），邋Ｗ逡逑及北欧移动电话（ＮＭＴ，Ｎｏｒｄｉｃ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｔｅｌｅｐｈｏｎｙ）等等。尽管第一代移动通信系统在逡逑推出时商业表现很好，但是由于带宽有限、无法提供数字业务、抗干扰能力差等技术上逡逑的不足，已经渐渐不能满足增长的需求。于是，随着大规模集成电路和数字技术的蓬勃逡逑发展，基于时分多址（ＴＤＭＡ，邋Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ａｃｃｅｓｓ）技术的第二代移动通信逡逑系统（２Ｇ

技术,移动通信系统

接通等待时间更短，可到达更高质量、更自然的语音视频通话效果，移动通信系统将逡逑迎来全ＩＰ的时代。逡逑由图１．１所示，移动通信技术的标准经历了从模拟到数字的巨大改变，通信业务也逡逑从单一的语音业务过渡到高速宽带数据业务占主导，用户端的设备从简单的移动电话逡逑到智慧终端的转变，同时通信制式标准也越来越趋近于融合和统一。未来，随着人类科逡逑技的不断发展，将迎来第四次科技革命，是维蒸汽技术革命，电力技术革命，信息技术逡逑革命的又一次科技革命。这是Ｗ互联网产业化，工业智能化，工业一体化为代表，Ｗ人逡逑工智能，清洁能源，，无人控制技术，量子信息技术为主的全新技术革命。而其中，移动逡逑通信领域也将面对更高的需求和更大的挑战，迎来第五代移动通信系统更快更强的发逡逑展。逡逑１．２．２邋５Ｇ的需求与关键技术逡逑从ＩＧ到４Ｇ的发展路线可Ｗ看出，移动通信系统的每一次演进换代都是为了解逡逑决当时最主要也是最急迫的通信需求Ｗ。目前
【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

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