大規(guī)模MIMO與OFDM無(wú)線通信信道信息獲取理論方法研究.pdf

1、近年來(lái)，各種新的無(wú)線應(yīng)用層出不窮，促使無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)持續(xù)迅猛增長(zhǎng)。未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)期望進(jìn)一步提高頻譜效率，并支持更多的終端以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)前述目標(biāo)，目前大規(guī)模天線技術(shù)(massive MIMO)和全雙工技術(shù)有希望競(jìng)選進(jìn)入第五代(5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)，同時(shí)第四代(4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)有望被繼續(xù)沿用到第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)。為了在復(fù)雜多變的無(wú)線信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用上述物理層技術(shù)的未來(lái)通信系統(tǒng)需要獲取

2、無(wú)線信道信息。為此，本論文開展大規(guī)模MIMO與OFDM無(wú)線通信信道信息獲取理論方法研究。
　　首先，研究正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的信道估計(jì)問(wèn)題，重點(diǎn)關(guān)注變換域信道估計(jì)方法，包括離散余弦變換(DCT)和離散傅里葉變換(DFT)這兩種正交變換。變換域信道估計(jì)器存在信道泄漏問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)使得信道估計(jì)器的性能變差;為解決該問(wèn)題，提出采用部分最小均方誤差(MMSE)濾波來(lái)估計(jì)信道泄漏進(jìn)而恢復(fù)信道泄漏成分。具體地，對(duì)于基于離散余弦變換估計(jì)器，推導(dǎo)出信

3、道在變換域的精確表達(dá)式，并基于該表達(dá)式給出門限設(shè)定方法;進(jìn)而，基于該表達(dá)式提出門限抽取區(qū)域外信道泄漏的估計(jì)方法，并降低所提出泄漏估計(jì)器的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。對(duì)于基于離散傅里葉變換估計(jì)器，推導(dǎo)信道在變換域的精確表達(dá)式，并基于該表達(dá)式提出低復(fù)雜度的信道泄漏估計(jì)方法，所提出的方法逼近最優(yōu)的MMSE估計(jì)器。數(shù)值仿真驗(yàn)證所提出信道估計(jì)算法的優(yōu)異估計(jì)性能。
　　然后，研究大規(guī)模天線和正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的導(dǎo)頻調(diào)度算法，以使被服務(wù)用戶能有效地獲取信道信息。

4、提出利用信道的延時(shí)域和角度域這兩個(gè)維度的特性來(lái)為用戶分配導(dǎo)頻資源，其中延時(shí)域特性的利用是通過(guò)合適地設(shè)計(jì)循環(huán)移位導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。分析存在導(dǎo)頻污染時(shí)傳播信道的漸近行為，并基于該漸近特性提出增強(qiáng)型匹配濾波(E-MF)預(yù)編碼器。對(duì)于簡(jiǎn)單的匹配濾波(MF)和精心設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型匹配濾波預(yù)編碼器，推導(dǎo)出導(dǎo)頻污染下信道徑數(shù)有限及無(wú)窮時(shí)可達(dá)速率的表達(dá)式，該可達(dá)速率被作為服務(wù)質(zhì)量(QoS)的度量值。進(jìn)一步，在用戶信道同構(gòu)的假設(shè)下分析用戶調(diào)度問(wèn)題，得出角度域

5、等間隔排布性質(zhì)。提出低復(fù)雜度的導(dǎo)頻調(diào)度算法，該算法能最大化服務(wù)質(zhì)量保證用戶的數(shù)量。數(shù)值仿真驗(yàn)證前述可達(dá)速率的分析和所提出的用戶調(diào)度算法在最大化服務(wù)質(zhì)量保證用戶的數(shù)量上的優(yōu)異性能。
　　接著，研究由大規(guī)模天線基站和全雙工中繼構(gòu)成的兩層無(wú)線通信系統(tǒng)的信道估計(jì)問(wèn)題。在全雙工模式運(yùn)作下，通信系統(tǒng)會(huì)存在自干擾和直接鏈路干擾，這使得信道估計(jì)問(wèn)題具有挑戰(zhàn)性。存在上述兩種干擾時(shí)，考慮兩個(gè)信道估計(jì)問(wèn)題:單跳信道估計(jì)和級(jí)連信道估計(jì)。單跳信道估計(jì)問(wèn)題中

6、，基站和中繼估計(jì)它們各自對(duì)應(yīng)的信道;級(jí)連信道估計(jì)問(wèn)題中，只有基站估計(jì)級(jí)連兩跳信道。為解決上述兩個(gè)信道估計(jì)問(wèn)題，提出利用信道波束域稀疏性及其慢變特性的基站側(cè)信道估計(jì)器，并分析該估計(jì)器正確區(qū)分期望信道徑和干擾直接鏈路信道徑的概率。此外，基于期望最大化(EM)算法，提出同時(shí)估計(jì)源至中繼信道和中繼到中繼自干擾信道的中繼側(cè)信道估計(jì)器，并分析該估計(jì)器的性能。數(shù)值仿真驗(yàn)證上述分析結(jié)果并展示所提出的算法的優(yōu)異性能。
　　最后，研究頻分雙工(FDD

7、)大規(guī)模天線系統(tǒng)的波束域信道估計(jì)問(wèn)題。在宏蜂窩場(chǎng)景中，由于無(wú)線信道的有限散射現(xiàn)象，大規(guī)模天線系統(tǒng)的信道在波束域上通常具有稀疏特性。因而，對(duì)于波束域信道估計(jì)問(wèn)題，重點(diǎn)關(guān)注利用門限方法來(lái)抽取稀疏信道的有效信道徑。首先，推導(dǎo)門限類信道估計(jì)器均方誤差(MSE)的閉式表達(dá)式，并基于該表達(dá)式提出最優(yōu)門限;進(jìn)一步，提出僅與噪聲方差相關(guān)的簡(jiǎn)化門限。此外，提出辨識(shí)波束域公共支集的門限設(shè)定方法，并給出利用公共支集的信道估計(jì)方法。對(duì)于信道反饋問(wèn)題，提出基于門