大規(guī)模MIMO無(wú)線系統(tǒng)信道獲取和傳輸優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)能夠提升無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜利用率和功率利用率，目前已成為5G無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)最具潛力的研究方向之一。大規(guī)模MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)中的信道獲取至關(guān)重要，獲取的信道質(zhì)量關(guān)系著預(yù)編碼、用戶調(diào)度等算法以及整個(gè)傳輸系統(tǒng)的性能。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的信道跟蹤、預(yù)編碼、用戶調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)普遍涉及高維矩陣運(yùn)算，復(fù)雜度較高，難以適應(yīng)實(shí)際需求。因此，開展大規(guī)模MIMO無(wú)線通信中的低復(fù)雜度的信道獲取和傳輸方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究具有現(xiàn)

2、實(shí)意義。本文具體工作主要包含以下四個(gè)方面:
　　首先，歸納總結(jié)了大規(guī)模MIMO無(wú)線系統(tǒng)中與本文研究相關(guān)的技術(shù)成果，包括預(yù)編碼、用戶調(diào)度和信道獲取等技術(shù)，具體介紹了迫零(ZF)、最小均方誤差(MMSE)、最大比發(fā)送(MRT)等三種預(yù)編碼算法和貪婪式、迭代式功率投影(IPP)這兩種用戶調(diào)度算法，信道獲取技術(shù)中涉及到上下行信道轉(zhuǎn)化和用戶分組等技術(shù)，因此文中總結(jié)了K-means聚類、Improved K-means聚類、基于離散傅里葉變換

3、(DFT)等三種用戶分組算法和矩陣轉(zhuǎn)化(MTM)、頻率校正(FC)等兩種上下行信道轉(zhuǎn)化算法。文中使用MATLAB仿真比較了這些算法的性能，仿真結(jié)果顯示MMSE預(yù)編碼在和速率性能上相對(duì)最優(yōu)，當(dāng)發(fā)送信噪比較大時(shí)，ZF算法性能接近MMSE算法，而MRT算法的復(fù)雜度最低并適用于用戶數(shù)較少的場(chǎng)景。兩種用戶調(diào)度算法中，貪婪式算法可以得到較大的和速率，而IPP算法的復(fù)雜度較低。用戶分組算法中Improved K-means聚類算法的性能最優(yōu)，基于DF

4、T的分組算法避免了高維矩陣運(yùn)算，復(fù)雜度較低。上下行信道轉(zhuǎn)化算法中FC算法只適用于天線數(shù)較少的系統(tǒng)且含有矩陣求逆運(yùn)算，相較之下，低復(fù)雜度的MTM算法更加適用于大規(guī)模MIMO無(wú)線系統(tǒng)。
　　其次，針對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)瞬時(shí)信道難以跟蹤的問(wèn)題，本文研究了統(tǒng)計(jì)信道的跟蹤方案，本文將PASTd等子空間跟蹤算法運(yùn)用到信道特征子空間的跟蹤中，避免了傳統(tǒng)子空間估計(jì)算法復(fù)雜度高和不能實(shí)時(shí)更新的問(wèn)題。本文還提出了PASTd的改進(jìn)算法使其能夠

5、更好地跟蹤動(dòng)態(tài)特征子空間。針對(duì)FDD系統(tǒng)中上下行特征子空間不一致的問(wèn)題，本文提出了一種低復(fù)雜度的相位補(bǔ)償算法(PCM)，有效地實(shí)現(xiàn)了上下行信道特征子空間的轉(zhuǎn)化。文中使用MATLAB仿真分析了相關(guān)算法的性能，仿真結(jié)果顯示PASTd算法有良好的收斂特性且跟蹤信道特征子空間的性能逼近傳統(tǒng)批處理算法的性能;文中所提的轉(zhuǎn)化算法PCM的性能略低于MTM，但由于其抗噪性能好且運(yùn)算復(fù)雜度低，因此更加適用于大規(guī)模MIMO無(wú)線系統(tǒng)。
　　然后，在研究

6、統(tǒng)計(jì)信道跟蹤方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究基于統(tǒng)計(jì)信道信息的預(yù)編碼和用戶調(diào)度算法，文中提出了三種用戶調(diào)度算法和兩種預(yù)編碼算法，并形成了一個(gè)完整的系統(tǒng)傳輸方案。其中，迭代式特征關(guān)系比較(ICEC)算法是以用戶統(tǒng)計(jì)信道的正交性為準(zhǔn)則的貪婪式用戶調(diào)度算法，而迭代式離開角比較(ICAC)算法是ICEC算法的近似算法并降低了ICEC算法的運(yùn)算復(fù)雜度，結(jié)合用戶被調(diào)度的公平性準(zhǔn)則和和速率準(zhǔn)則，文中提出了基于分組、排序的調(diào)度(GSOS)算法，GSOS算法的主

7、要思想是通過(guò)將統(tǒng)計(jì)信道相似的用戶分為一組和依據(jù)位置信息進(jìn)行組內(nèi)排序來(lái)保證用戶公平性和被調(diào)度用戶間的信道正交性。統(tǒng)計(jì)預(yù)編碼算法設(shè)計(jì)中，文中以優(yōu)化信漏噪比(SLNR)確定值的下限為目標(biāo)，提出了統(tǒng)計(jì)波束成型算法，并提出了以最主特征矢量為預(yù)編碼矢量的簡(jiǎn)易波束成型算法。結(jié)合統(tǒng)計(jì)信道跟蹤、用戶調(diào)度和預(yù)編碼算法，文中提出了大規(guī)模MIMO多用戶(MU-MIMO)系統(tǒng)中基于統(tǒng)計(jì)信道跟蹤的傳輸方案。文中使用MATLAB仿真分析了相關(guān)算法，仿真結(jié)果顯示，IC

8、EC算法的和速率相對(duì)最高，GSOS算法可以實(shí)現(xiàn)較高的用戶公平性，而ICAC算法的運(yùn)算復(fù)雜度最低。兩種統(tǒng)計(jì)預(yù)編碼算法中，統(tǒng)計(jì)波束成型算法的和速率性能優(yōu)于簡(jiǎn)易波束成型算法，如果配合用戶調(diào)度算法，那么簡(jiǎn)易波束成型算法的和速率可以逼近統(tǒng)計(jì)波束成型算法。傳輸方案的仿真結(jié)果顯示基于統(tǒng)計(jì)信道信息跟蹤的傳輸方案的系統(tǒng)和速率可以比擬基于帶有一定誤差的瞬時(shí)信道的傳統(tǒng)傳輸方案，證明了所提方案的有效性。
　　最后，針對(duì)高鐵中應(yīng)用大規(guī)模MIMO技術(shù)這個(gè)熱門

9、研究課題，本文研究了高鐵大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的瞬時(shí)信道跟蹤和傳輸方案設(shè)計(jì)問(wèn)題。針對(duì)高鐵大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中信道獲取較為困難的問(wèn)題，本文利用了高鐵的地理位置信息來(lái)輔助瞬時(shí)信道的跟蹤，基于信道的時(shí)空相關(guān)性提出了Kalman濾波跟蹤瞬時(shí)信道的方案，并結(jié)合地理位置信息給出了最優(yōu)訓(xùn)練波束的推導(dǎo)公式。針對(duì)典型的多終端配置的高鐵系統(tǒng)，本文提出了用戶分組發(fā)送下行訓(xùn)練波束的算法，權(quán)衡了信道跟蹤性能和符號(hào)資源的開銷。然后，本文提出了兩種基于位置信息的系統(tǒng)傳