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毫米波大规模天线阵列系统中的混合预编码技术研究

张然  
【摘要】:面对未来移动通信业务爆炸式增长,毫米波大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术利用毫米波丰富的频谱资源,并结合大规模天线阵列的高复用增益,可实现超高速率、超低时延的数据传输,因而已成为下一代移动通信系统的关键技术。与传统的纯数字预编码相比,混合预编码作为毫米波大规模MIMO系统的主流信号处理技术,可在硬件复杂度和系统性能之间提供灵活的折中,对毫米波通信的发展及实际应用起着至关重要的作用。鉴于此,本文以混合预编码技术为研究核心,针对毫米波大规模MIMO系统面临的移相器(Phase Shifters,PS)硬件不理想、频率选择性衰落、多用户间干扰、高计算复杂度等关键问题展开研究,以提升系统的频谱效率。本文的具体研究内容和创新点如下:首先,研究了单用户系统中基于低分辨率PS的混合预编码技术。针对PS硬件不理想问题,本文提出了基于信道奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的量化方案(SVD-Q)。具体地,在假设PS硬件理想的前提下,方案SVD-Q先根据信道矩阵SVD推导出模拟预编码和合并器的最优相位值,随后利用量化器获得了任意bit分辨率PS下的模拟预编码矩阵和合并矩阵,之后通过最大化系统的频谱效率计算出最优的数字预编码矩阵和合并矩阵。仿真结果表明,在相同分辨率的PS下,方案SVD-Q可实现比现有方案更高的频谱效率性能。此外,考虑到量化器对1-bit分辨率PS误差较大,本文进一步提出了基于矩阵秩-2近似的交替混合预编码方案(Alter-Rank2)。该方案先利用矩阵秩-2近似法,构造出一个基于1-bit分辨率PS的二进制码本,然后根据此码本交替设计了模拟预编码矩阵和合并矩阵。仿真结果表明,相比于其他1-bit分辨率PS下的混合预编码方案,方案Alter-Rank2可实现更高的频谱效率和能量效率。其次,研究了单用户宽带系统中基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的混合预编码技术。针对频率选择性衰落导致的共享式模拟预编码矩阵难解问题,本文提出了基于Jensen不等式的列迭代混合预编码方案(JC-Iteration)。该方案先假设模拟预编码已知,引入了一个虚拟变量,进而通过最大化频谱效率推导出数字预编码矩阵的闭式解,随后根据Jensen不等式将频率选择性衰落下的模拟预编码问题转化为平坦衰落下的模拟预编码问题,并通过列迭代算法求出了模拟预编码的局部最优解,而后利用Sherman-Morrison公式简化了该算法的计算复杂度。为了进一步降低混合预编码设计的计算复杂度,本文提出了基于相位匹配的交替最小化方案(PM-AltMin)。该方案先根据矩阵乘法性质,将基于矩阵运算的混合预编码问题分解为一系列基于向量运算的子问题,然后通过相位匹配法和最小二乘法交替求解每个子问题的模拟和数字预编码向量,最终获得完整的模拟和数字预编码矩阵。仿真结果表明,方案PM-AltMin和方案JC-Iteration均可实现较好的频谱效率性能,其中方案JC-Iteration更接近于性能上界。最后,研究了多用户系统中基于两阶段的混合预编码技术。针对用户间的信号干扰问题,本文基于块对角化技术(Block Diagonalization,BD),提出了互信息准则下的两阶段设计方案(MI-TS)。该方案先通过最大化等效基带信道容量来设计模拟阶段,并利用矩阵分块法求解了模拟预编码矩阵和合并矩阵的元素值,之后在数字阶段,根据BD技术设计了数字预编码矩阵和合并矩阵,消除了用户间干扰。仿真结果表明,相比于现有的混合预编码BD方案,所提方案MI-TS可支持更高的用户和速率。为了能兼顾用户间干扰和噪声问题,本文进一步提出了信漏噪比(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio,SLNR)准则下的两阶段设计方案(SLNR-TS)。其中,在模拟阶段,方案SLNR-TS通过最大化等效基带信道增益求得了模拟预编码矩阵和合并矩阵,然后在数字阶段,利用SLNR准则并结合KKT条件推导出数字预编码矩阵和合并矩阵的解,较大程度地抑制了用户间干扰和噪声,从而提高了系统性能。仿真结果表明,方案SLNR-TS可在一定程度上弥补现有方案的不足,获得更好的系统性能。


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