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毫米波大规模MIMO中混合预编码技术研究

黄钰  
【摘要】:随着移动通信的迅猛发展,低频段频谱资源已经不能满足日益增长的通信需求,下一代通信系统需要在毫米波频段上寻找可用的频谱资源。大规模多输入多输出(MIMO)技术和毫米波技术相结合,能够在频谱效率、系统吞吐量、覆盖范围等方面发挥巨大的优势。毫米波大规模MIMO系统可以通过预编码技术提供足够的天线阵列增益,克服毫米波信号在传播过程的路径损耗。然而传统的数字基带预编码不再适合毫米波大规模MIMO系统,因为基站端大量天线对应的射频链将导致很高的能耗和硬件复杂度。基于当前研究,在毫米波大规模MIMO系统中应用数字和模拟相结合的混合预编码技术可减少高能耗射频链的数量,具有非常广阔的应用前景。因此,本文针对毫米波大规模MIMO系统中混合预编码方案设计展开了深入研究,提出了基于不同毫米波大规模MIMO结构下的混合预编码方案,解决了现有预编码方法的复杂度高、能耗高等问题。主要的研究工作和创新成果如下:首先,研究了全连接毫米波大规模MIMO结构下的混合预编码技术,提出了三种混合预编码方案。第一,提出了HEW混合预编码方案。该方案的模拟预编码矩阵采用等增益传输相控阵(EGT)设计消除用户间干扰;数字预编码矩阵由直接注水方法获得,无需奇异值分解,降低了计算复杂度。在低信噪比条件下,HEW混合预编码实现了良好的系统和速率性能。第二,基于离散傅里叶变换(DFT)码本的混合预编码方案。该方案先将所有用户分为两组,即冲突用户和非冲突用户,并提出了一种冲突感知(CA)的波束列选择方法。模拟预编码矩阵的生成是基于DFT码本的CA列选择,最大化了系统和速率;数字预编码矩阵应用了迫零(ZF)预编码技术消除冲突用户间干扰。基于DFT码本的混合预编码具有较低的复杂度和较好的系统和速率性能。第三,提出了基于簇分组及联合空分复用的CGJHP混合预编码方案。该方案首先对不同的波束簇进行分组,根据离开角将邻居簇划分为同一组。在模拟域中,用分组列选择方法,基于码本设计模拟预编码矩阵,消除非邻居簇组间的干扰。在数字域中,采用分组处理的ZF来获得每组用户的数字预编码矩阵,消除来自簇组内的干扰。最后,将导频矩阵设计问题转化为图论中的顶点着色问题,最小下行链路训练长度(DTL)等于图的色数。CGJHP混合预编码方案实现了令人满意的系统和速率性能,并减少了DTL和瞬时信道状态信息反馈的开销。其次,研究了半连接毫米波大规模MIMO结构下的混合预编码方案。半连接结构具有较低的硬件开销和功耗,对于半连接结构提出了一种迭代逼近的NOIA混合预编码。在NOIA方案中,受到雷达波束模式设计中恒模投影技术的启发,提出了的波束模式干扰控制方法,放松了模拟预编码矩阵恒模约束条件。利用Kronecker乘积特征将矩阵运算转换为向量运算,消除了块对角线约束条件,将非凸问题转换为凸问题。原始问题被重新表述为两个优化子问题之后迭代求解。并从理论上证明了所提出的算法收敛到原始问题的Karush-Kuhn-Tucker(KKT)点。NOIA混合预编码方案是为半连接结构设计的,但也可以扩展至全连接结构。半连接结构下NOIA混合预编码在均方误差、系统和速率以及能量效率方面均具有良好性能,全连接结构下的NOIA方案性能逼近全数字预编码。最后,研究了宽带频率选择性毫米波大规模MIMO结构下的混合预编码方案。宽带频率选择结构和传统窄带结构下混合预编码的最重要区别是在所有子载波上设计通用的模拟预编码器,而在不同的子载波上设计各自的数字预编码器。本文在宽带频率选择性毫米波大规模MIMO结构下,为单用户(SU)和多用户(MU)场景分别设计了混合预编码。在单用户场景中,提出了SU混合预编码。在模拟域,通用模拟预编码矩阵由等增益发送矩阵派生,由于经过模拟预编码之后的等效信道矩阵几乎是正交的,所以可以在数字预编码中直接使用注水方法,而无需进行奇异值分解以获得并行子信道,因此可以降低算法的计算复杂度。在多用户场景中,提出了MU混合预编码。在模拟域中增加了Gram-Schmidt正交化的过程,使得模拟预编码矩阵中的列向量正交,可以最大化多用户系统和速率。在数字域,应用ZF预编码可以大大减少不同用户之间的干扰。仿真结果表明,无论是单用户场景还是多用户场景,提出的SU和MU混合预编码均可实现接近全数字预编码的良好性能。


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