雙碼本波束成形相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、多天線技術(shù)能夠利用空間自由度實(shí)現(xiàn)空間分集和復(fù)用，有效提高頻譜利用率。其中，波束成形是在多天線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)空分多址的主要技術(shù)，主要分為兩類，一類是長(zhǎng)時(shí)的波束成形技術(shù)，它應(yīng)用于小間距的多根天線陣列，主要原理是利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)地指向用戶來(lái)波方向；另一類是短時(shí)的波束成形技術(shù)，它的主要原理是基于實(shí)時(shí)的信道沖擊響應(yīng)，利用天線陣元之間的弱相關(guān)性構(gòu)建信號(hào)處理算法，當(dāng)發(fā)送端和接收端都具有

2、完整的信道信息，短時(shí)波束成形技術(shù)能夠簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)MIMO信道的最大分集增益。當(dāng)天線距離在半波長(zhǎng)到10倍波長(zhǎng)之間，角度擴(kuò)散不大時(shí)，為長(zhǎng)時(shí)波束成形和短時(shí)波束成形結(jié)合起來(lái)提供了條件，因而，能使二者結(jié)合的雙碼本技術(shù)被引入到 LTE-Advanced（LTE-A）系統(tǒng)中，它同時(shí)用兩個(gè)碼本分別指示長(zhǎng)時(shí)波束成形特性（碼本1）和短時(shí)波束成形特性（碼本2）。此外，由于長(zhǎng)時(shí)特性和短時(shí)特性的變化周期不相同，決定了二者反饋周期也不同，這樣就可以延長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)特性碼

3、本的反饋周期，從而減小平均反饋量，提高資源利用率。雖然在LTE-A中定義了雙碼本發(fā)送方案，但是雙碼本估計(jì)和反饋等都是雙碼本技術(shù)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本論文就是圍繞著雙碼本波束成形技術(shù)的研究展開(kāi)的，通過(guò)對(duì)相關(guān)理論研究，提出了一系列解決方案?？偟膩?lái)說(shuō)，本文主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下：
　　首先，研究了雙碼本波束成形技術(shù)的碼本設(shè)計(jì)特性和碼本估計(jì)算法。在寬帶信號(hào)的正交頻分多路復(fù)用（Orthogonal Frequency Divi

4、sion Multiplexing，OFDM）系統(tǒng)中，不同子載波之間存在頻率偏移，所以在利用不同載波上的信道信息進(jìn)行獨(dú)立碼本估計(jì)時(shí)存在偏差，本文提出相關(guān)估計(jì)算法，利用寬帶信號(hào)中多個(gè)載波之間的相關(guān)性，將不同載波的信道信息聚焦到某個(gè)參考頻點(diǎn)上獲得等效的信道信息。此外，在將多采樣點(diǎn)估計(jì)獲得的信道矩陣進(jìn)行平均來(lái)獲得統(tǒng)計(jì)信道信息時(shí)，引入采樣點(diǎn)時(shí)刻的信噪比作為加權(quán)因子進(jìn)行加權(quán)平均，可以克服由于個(gè)別噪聲干擾較大的采樣信息帶來(lái)的估計(jì)性能惡化現(xiàn)象。通過(guò)理

5、論分析和數(shù)值仿真得出，在信號(hào)帶寬較小時(shí)，優(yōu)化算法對(duì)系統(tǒng)性能提升較小，主要得益于加權(quán)平均；當(dāng)信號(hào)帶寬較大時(shí)，系統(tǒng)性能提升較明顯。
　　接著，在雙碼本波束成形系統(tǒng)中，分析由于IQ（in-phase/quadrature-phase）不平衡對(duì)波束成形系統(tǒng)帶來(lái)的影響，推導(dǎo)了在IQ不平衡情況下引起的碼本估計(jì)偏差以及雙碼本估計(jì)特性。為了消除IQ不平衡對(duì)碼本估計(jì)的影響，本文給出了一種完整的收發(fā)端IQ不平衡估計(jì)和補(bǔ)償算法，通過(guò)該算法能夠?qū)κ瞻l(fā)端I

6、Q不平衡參數(shù)進(jìn)行分步估計(jì)補(bǔ)償，校正該因素引起的碼本估計(jì)誤差，從而提高系統(tǒng)性能。
　　然后，通常情況下為了減小上行反饋資源，對(duì)代表長(zhǎng)時(shí)信道特征的碼本1采用較長(zhǎng)的反饋周期，然而信道變化快慢具有時(shí)變性，如果采用固定的反饋周期會(huì)影響碼本1的準(zhǔn)確性，因此本文利用修正的非等間距灰色預(yù)測(cè)算法對(duì)信道方向指示（CDI）信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出一種自適應(yīng)反饋策略。此外，由于碼本2估計(jì)實(shí)時(shí)性要求較高，過(guò)時(shí)的信道估計(jì)會(huì)嚴(yán)重降低碼本2的估計(jì)性能，因此本文利用卡爾

7、曼預(yù)測(cè)算法對(duì)信道估計(jì)矩陣進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且引入灰色預(yù)測(cè)算法對(duì)預(yù)測(cè)時(shí)用到的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行修正，從而提高碼本2的估計(jì)性能。
　　最后，重點(diǎn)研究在大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）系統(tǒng)模型下，隨著天線數(shù)的增加，信道信息估計(jì)與反饋信息的復(fù)雜度成倍增加，同時(shí)，Massive MIMO系統(tǒng)中天線陣通常呈二維陣列分布，信道的方向性估計(jì)也需要擴(kuò)展成二維方向估計(jì)。針對(duì)上述特性，本文提出基于在二維信道方向估計(jì)下的雙碼本波束成形技術(shù)方案，包括雙碼