MIMO無線通信系統(tǒng)中的稀疏信號檢測與優(yōu)化.pdf

1、自然界中的信號往往是由大量影響因素中的少數(shù)因素來決定的,這種屬性可以看作是信號的稀疏性,通過合適的度量和表示方法就能夠發(fā)掘利用其稀疏性。壓縮感知技術(shù)通過利用這種稀疏性,利用隨機采樣來顯著減少采樣數(shù)實現(xiàn)信號的有效獲取。在無線通信過程中,也大量存在著稀疏性。比如,在某些無線信道中,往往只存在著少數(shù)幾條主徑,因此其信道存在著稀疏性;在基于碼本的信道反饋過程中,只反饋眾多碼字中的單個碼字序號,因此信道反饋過程中存在稀疏性;在下行多用戶調(diào)度過程中

2、,往往只有少數(shù)幾個用戶需要在同一時間被調(diào)度,因此激活調(diào)度用戶存在著稀疏性;在上行多用戶傳輸檢測過程中,只有少數(shù)用戶在同一時間傳輸信號,因此傳輸信號具有稀疏性。在無線通信過程中,通過發(fā)掘利用這種稀疏性來優(yōu)化改進無線通信技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)通信效率,并提高系統(tǒng)的性能。因此,研究基于稀疏特性的無線通信技術(shù)對于未來無線通信系統(tǒng)設(shè)計具有重要意義。
　　在本文中,我們將以MIMO無線通信中存在的稀疏性和稀疏現(xiàn)象作為切入點,利用壓縮感知技術(shù)對在

3、MIMO信道估計、信道信息反饋、下行多用戶調(diào)度和上行多用戶檢測過程中存在的稀疏信號的優(yōu)化、檢測和傳輸技術(shù)進行研究,提出基于壓縮感知技術(shù)的高效的MIMO無線通信方法。論文的主要內(nèi)容概括如下:
　　1.在MIMO信道估計過程中,分析了非選擇性無線MIMO信道的空域表示形式及其稀疏性,提出了一種基優(yōu)化算法來減少泄露效應(yīng)的影響從而增強MIMO信道的空域稀疏性,并利用這種優(yōu)化基在空域內(nèi)利用壓縮感知算法進行MIMO信道估計。通過仿真和分析驗證

4、了基優(yōu)化算法的有效性。在空域稀疏的MIMO信道估計中,相比于MMSE和LS方法,基于優(yōu)化基的壓縮感知信道算法可在相同的導(dǎo)頻數(shù)量下達(dá)到較好的性能。
　　2.在MIMO信道信息反饋中,利用稀疏近似的方法來對信道矢量進行表示,并通過壓縮感知對稀疏表示后得到的稀疏矢量進行分步壓縮和反饋。分析比較了采用數(shù)字反饋、模擬反饋和混合反饋的性能,并與基于隨機碼本量化的反饋方法進行了比較。仿真和分析表明,采用Grassmanian碼本來進行稀疏近似具

5、有較好的效果。在低信噪比區(qū)域,數(shù)字壓縮反饋的速率優(yōu)于模擬壓縮反饋的速率;在高信噪比區(qū)域,模擬壓縮反饋的速率要優(yōu)于數(shù)字壓縮反饋的速率。本方法可以有效提高系統(tǒng)的速率性能,而且反饋開銷主要和稀疏近似所選擇的原子的數(shù)目相關(guān),與天線數(shù)目無關(guān),因此在天線數(shù)目眾多,尤其是在MassiveMIMO中具有一定的應(yīng)用價值。
　　3.在MIMO下行多用戶調(diào)度過程中,通過發(fā)掘在多用戶MIMO中激活用戶的稀疏性,我們提出了一種頻分復(fù)用條件下的資源有效的基于

6、壓縮感知的用戶調(diào)度與反饋方法。通過用戶自選擇算法,只有部分用戶參與上行信道信息反饋過程,從而減少上行反饋資源的開銷。由于通過壓縮感知恢復(fù)可以檢測出參與反饋的用戶,從而減小了信令開銷。仿真結(jié)果表明壓縮感知模擬反饋的系統(tǒng)吞吐量要優(yōu)于相同用戶數(shù)進行碼本量化的數(shù)字反饋的系統(tǒng)吞吐量,但是消耗的上行反饋資源更少;壓縮感知數(shù)字反饋與所有用戶都進行數(shù)字反饋的系統(tǒng)吞吐量非常接近,但是消耗的反饋資源要小于所有用戶都進行數(shù)字反饋的情況。
　　4.在MI

7、MO上行多用戶檢測過程中,利用壓縮感知的處理框架來進行MIMO通信中的稀疏用戶檢測,提出了直接維度擴展和分集維度擴展的方法,并分析了通信信號的離散性對于壓縮感知恢復(fù)的影響。通過利用激活用戶的稀疏性,可以采用比傳統(tǒng)CDMA中更短的擴頻碼來進行多用戶標(biāo)識;在分集維度擴展模型中,由于利用了系統(tǒng)的維度,比如多天線,可以使擴頻碼長度進一步減少。在信號的檢測算法中,我們提出了2-stageMMSE的檢測算法,通過仿真分析,可以看出在激活用戶很少或者