毫米波大规模MIMO系统的混合预编码研究

【摘要】：随着5G研究的广泛开展,大规模MIMO技术和毫米波通信技术受到了大量的关注。毫米波通信技术最突出的特点是其拥有巨大的带宽,可以有效地支持高吞吐量的无线通信,然而它与微波信号相比,会有更大数量级的路径损耗。为了解决这个问题,可将其与大规模MIMO技术结合,即在收发机较小的范围内装入大量的天线阵列。为实现通信系统高链路质量和高数据速率的目标,一个潜在方案是使用预编码技术。对于毫米波大规模MIMO系统来说,一般采用混合预编码技术。本文从单用户和多用户的角度,对比分析了传统大规模MIMO系统和毫米波大规模MIMO系统的架构区别。针对毫米波信道的特性,引入了射线追踪信道模型,并在毫米波信道环境下对传统的数字预编码算法进行了仿真对比。针对单用户毫米波大规模MIMO系统,本文首先对基于OMP的混合预编码进行介绍,发现其存在矩阵求逆和需要候选矩阵的问题。为解决这些问题,本文利用Banachiewicz-Schur分块矩阵广义逆对矩阵求逆进行了详细的推导,同时利用鸟群算法的快速搜索全局最优值的特点,搜索与残差内积相乘最大的阵列响应矢量,进而提出了基于BSA的MIB-OMP混合预编码。仿真结果表明,在无需矩阵求逆和候选矩阵的条件下,所提的算法与基于OMP的混合预编码相比,其系统频谱效率和误码率性能有所提升,并且其波束图效果与全数字预编码相吻合。针对多用户毫米波大规模MIMO系统,本文首先对基于ZF的两阶段混合预编码和基于MMSE的两阶段混合预编码进行介绍。由于ZF预编码仅考虑用户间干扰,没有考虑噪声的影响,而MMSE预编码对两者均进行了考虑,因此本文在基于MMSE的两阶段混合预编码的基础上进行改进。并且针对这两种算法存在的码本问题,引入KSVD字典学习的方法,利用KSVD对原有的码本进行更新,从稀疏编码和字典更新两个阶段,提出了基于KSVD的MMSE混合预编码。仿真结果表明,所提的算法与基于ZF的两阶段混合预编码和基于MMSE的两阶段混合预编码相比,其系统频谱效率和误码率性能得到了显著的提升,并且其波束图效果与全数字MMSE预编码比较接近。