毫米波大規(guī)模MIMO無線傳輸技術(shù)研究.pdf

1、多媒體信息娛樂應(yīng)用和高端設(shè)備的普及推動了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸性增長，這給未來的無線通信傳輸帶來了巨大的挑戰(zhàn)。下一代5G移動通信，對容量、能耗和帶寬的需求將越來越高。工作在30-300GHz頻段的毫米波通信技術(shù)，因其豐富的可用帶寬，被認為是下一代無線局域網(wǎng)和移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，相較于傳統(tǒng)6GHz以下的微波信號，毫米波信號將經(jīng)歷更為嚴重的路徑損耗。若毫米波傳輸與大規(guī)模MIMO通信技術(shù)相結(jié)合，大維天線帶來的陣列增益和空分復(fù)用增益，

2、能彌補系統(tǒng)的部分衰減，從而增大信號的通信距離，改善信號的傳輸質(zhì)量。本文面向新一代移動通信系統(tǒng)，對毫米波大規(guī)模MIMO的無線傳輸技術(shù)展開研究，論文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　首先，本文介紹了無線局域網(wǎng)的發(fā)展歷程以及毫米波無線通信的研究現(xiàn)狀，同時，還詳細分析了毫米波通信的傳輸特性以及其在當前和未來可能面臨的巨大挑戰(zhàn)。
　　其次，本文針對MIMO系統(tǒng)中的幾種關(guān)鍵技術(shù):空分復(fù)用與天線分集、信道估計、信號檢測以及經(jīng)典預(yù)編碼技術(shù)等做了

3、較為詳細的介紹，并分析比較了LS算法與MMSE算法的信道估計性能，以及系統(tǒng)在ZF、MRT、MMSE預(yù)編碼方法下所能獲取的頻譜效率。本文還研究了大規(guī)模MIMO相較于傳統(tǒng)MIMO在物理特性以及系統(tǒng)性能方面的優(yōu)勢，并針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中存在嚴重導(dǎo)頻污染的事實，介紹了三種主流的抑制或消除導(dǎo)頻污染的方法。除此之外，本文還分析討論了大規(guī)模MIMO技術(shù)在毫米波系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，為后續(xù)對毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

4、
　　接著，本文研究了毫米波大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)中的三維訓(xùn)練碼書設(shè)計問題以及信道估計問題。針對收發(fā)端天線呈均勻面陣排布的毫米波系統(tǒng)，提出了一種三維碼書優(yōu)化設(shè)計方法。此方法從優(yōu)化訓(xùn)練波束圖案的角度出發(fā)，對訓(xùn)練波束主旁瓣的波紋抖動進行了相關(guān)約束，同時還對未采樣點上可能出現(xiàn)的過沖現(xiàn)象進行了處理。與利用最小二乘法直接獲取的訓(xùn)練碼書相比，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后的訓(xùn)練波束擁有更為平坦的幅度響應(yīng)以及更為理想的過渡頻帶，因此理論上應(yīng)該具有更優(yōu)的信道估

5、計性能。在已優(yōu)化設(shè)計的訓(xùn)練碼書的基礎(chǔ)上，本章利用自適應(yīng)壓縮感知算法，對信道中的相關(guān)參數(shù)展開估計。MATLAB仿真結(jié)果表明，使用優(yōu)化設(shè)計后的訓(xùn)練碼書，即使在低信噪比條件下，仍能在毫米波系統(tǒng)中實現(xiàn)高精度的信道估計。
　　最后，本文針對收發(fā)端已知信道狀態(tài)信息的毫米波通信系統(tǒng)，提出了一種低復(fù)雜度的數(shù)字、模擬混合預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計方法。該方法從幾何角度出發(fā)，將原本的預(yù)編碼設(shè)計問題轉(zhuǎn)化成復(fù)平面的三角構(gòu)造問題，并分析討論了轉(zhuǎn)化的可行性。在三角構(gòu)造的

6、基礎(chǔ)上，本文通過設(shè)置具有相同數(shù)值的數(shù)字預(yù)編碼系數(shù)，對原有的毫米波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了改進，此舉能夠減少系統(tǒng)對射頻鏈路的需求，大大降低系統(tǒng)的硬件成本。理論分析證明，與常用的正交匹配追蹤算法相比，由于本文所提的混合預(yù)編碼方法無需搜索整個碼書空間，因此其搜索復(fù)雜度與計算復(fù)雜度都遠小于正交匹配追蹤算法。MATLAB仿真實驗對本章提出的基于幾何構(gòu)造的混合預(yù)編碼方法進行了全面評估，仿真結(jié)果表明，該方法在單用戶、多用戶、單流、多流傳輸情境下，都能獲得優(yōu)異的