MIMO预编码有限反馈系统关键技术研究

【摘要】：多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统发射端已知信道状态信息时,能运用信道自适应技术提高系统性能。在频分复用系统中,MIMO有限反馈及相关技术成为制约其获得更高系统性能的关键因素且已被广泛研究。随着MIMO技术的发展,该领域研究对象开始聚焦在信道时空相关MIMO系统以及新硬件架构MIMO系统。本文围绕MIMO预编码有限反馈系统关键技术展开研究,具体研究内容和主要贡献如下所述。(1)针对毫米波大规模MIMO混合预编码有限反馈系统下高效信道估计问题,利用MIMO虚拟信道模型对具有一定角度扩展的毫米波大规模MIMO信道进行分析,阐述其角度域等效信道矢量化后具有链式块稀疏结构且块内数据具有一定相关性;设计基于矩阵分解的信号预处理方法,将该系统基于训练的信道估计问题建模为块稀疏信号重构问题;提出一种基于块稀疏贝叶斯学习的信道估计算法,并给出该算法下块数据尺寸的估算方法。仿真数据表明,在一定信道训练序列长度下,该信道估计算法能利用毫米波大规模MIMO信道结构化稀疏特点提高信道估计的性能,相比现有算法更适用低信噪比场景。(2)针对毫米波大规模MIMO混合预编码有限反馈系统中量化码本的设计问题,从毫米波大规模MIMO信道空间稀疏结构出发,分析了在阵列响应矢量组成的完备字典下最优预编码矢量的稀疏表示具有联合稀疏特性;运用字典学习思想,将模拟和数字预编码器量化码本设计问题建模为联合优化问题,并给出一种逐码字优化的迭代算法生成任意尺寸和相位分辨率的模拟预编码器量化码本;对于本文码本联合优化问题中的基跟踪算法设计,给出一种基于联合稀疏的混合预编码设计方案。仿真数据表明,联合使用本文提出的码本设计方案和混合预编码算法能获得一定系统性能提升。(3)针对毫米波大规模MIMO混合预编码系统中信道状态信息的高效反馈策略问题,考虑到增加射频链路数目是一种提高该系统性能的有效策略,分析此时最优预编码器矩阵在由阵列响应矢量组成的码本下将具有近似的块稀疏表达,将混合预编码器设计问题建模为块稀疏近似表示问题;给出了一种基于贪婪分簇思想的混合预编码器设计算法;针对该预编码算法中参数:块稀疏表达矩阵中非零行矢量块个数和系统取得次优性能所需射频链个数,给出一种基于信道子簇间关系的近似估算方法。仿真数据表明,在适当参数下,本文混合预编码有限反馈方案既能有效降低反馈模拟预编码器信息所需的比特量,又能获得接近于已有混合预编码算法的系统性能。(4)针对信道时间相关MISO系统自适应差分反馈策略中码本设计问题,给出了两种球帽差分码本构造方法,其一:以格拉斯曼码本为基码本,由其码字经矢量线性和旋转运算得到,其二:由中心码字和两个对应不同半径的极帽码本组成,故称为双极帽码本;给出两种差分码本随时间变化的球帽半径估算方法,其中针对第一种球帽码本方案,从码本构造方法入手推导出能更快地趋于稳定的差分码本球帽半径计算方法。仿真数据表明,基于本文球帽码本的自适应差分反馈策略能获得随时间增加并趋于稳定的系统容量,并且整体性能较现有算法有一定提升。