毫米波大規(guī)模MIMO無線傳輸技術(shù)研究.pdf

1、多媒體信息娛樂應(yīng)用和高端設(shè)備的普及推動(dòng)了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸性增長(zhǎng)，這給未來的無線通信傳輸帶來了巨大的挑戰(zhàn)。下一代5G移動(dòng)通信，對(duì)容量、能耗和帶寬的需求將越來越高。工作在30-300GHz頻段的毫米波通信技術(shù)，因其豐富的可用帶寬，被認(rèn)為是下一代無線局域網(wǎng)和移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，相較于傳統(tǒng)6GHz以下的微波信號(hào)，毫米波信號(hào)將經(jīng)歷更為嚴(yán)重的路徑損耗。若毫米波傳輸與大規(guī)模MIMO通信技術(shù)相結(jié)合，大維天線帶來的陣列增益和空分復(fù)用增益，

2、能彌補(bǔ)系統(tǒng)的部分衰減，從而增大信號(hào)的通信距離，改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量。本文面向新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO的無線傳輸技術(shù)展開研究，論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首先，本文介紹了無線局域網(wǎng)的發(fā)展歷程以及毫米波無線通信的研究現(xiàn)狀，同時(shí)，還詳細(xì)分析了毫米波通信的傳輸特性以及其在當(dāng)前和未來可能面臨的巨大挑戰(zhàn)。
　　其次，本文針對(duì)MIMO系統(tǒng)中的幾種關(guān)鍵技術(shù):空分復(fù)用與天線分集、信道估計(jì)、信號(hào)檢測(cè)以及經(jīng)典預(yù)編碼技術(shù)等做了

3、較為詳細(xì)的介紹，并分析比較了LS算法與MMSE算法的信道估計(jì)性能，以及系統(tǒng)在ZF、MRT、MMSE預(yù)編碼方法下所能獲取的頻譜效率。本文還研究了大規(guī)模MIMO相較于傳統(tǒng)MIMO在物理特性以及系統(tǒng)性能方面的優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中存在嚴(yán)重導(dǎo)頻污染的事實(shí)，介紹了三種主流的抑制或消除導(dǎo)頻污染的方法。除此之外，本文還分析討論了大規(guī)模MIMO技術(shù)在毫米波系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，為后續(xù)對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

4、
　　接著，本文研究了毫米波大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)中的三維訓(xùn)練碼書設(shè)計(jì)問題以及信道估計(jì)問題。針對(duì)收發(fā)端天線呈均勻面陣排布的毫米波系統(tǒng)，提出了一種三維碼書優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此方法從優(yōu)化訓(xùn)練波束圖案的角度出發(fā)，對(duì)訓(xùn)練波束主旁瓣的波紋抖動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)約束，同時(shí)還對(duì)未采樣點(diǎn)上可能出現(xiàn)的過沖現(xiàn)象進(jìn)行了處理。與利用最小二乘法直接獲取的訓(xùn)練碼書相比，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的訓(xùn)練波束擁有更為平坦的幅度響應(yīng)以及更為理想的過渡頻帶，因此理論上應(yīng)該具有更優(yōu)的信道估

5、計(jì)性能。在已優(yōu)化設(shè)計(jì)的訓(xùn)練碼書的基礎(chǔ)上，本章利用自適應(yīng)壓縮感知算法，對(duì)信道中的相關(guān)參數(shù)展開估計(jì)。MATLAB仿真結(jié)果表明，使用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的訓(xùn)練碼書，即使在低信噪比條件下，仍能在毫米波系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度的信道估計(jì)。
　　最后，本文針對(duì)收發(fā)端已知信道狀態(tài)信息的毫米波通信系統(tǒng)，提出了一種低復(fù)雜度的數(shù)字、模擬混合預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法從幾何角度出發(fā)，將原本的預(yù)編碼設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化成復(fù)平面的三角構(gòu)造問題，并分析討論了轉(zhuǎn)化的可行性。在三角構(gòu)造的

6、基礎(chǔ)上，本文通過設(shè)置具有相同數(shù)值的數(shù)字預(yù)編碼系數(shù)，對(duì)原有的毫米波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，此舉能夠減少系統(tǒng)對(duì)射頻鏈路的需求，大大降低系統(tǒng)的硬件成本。理論分析證明，與常用的正交匹配追蹤算法相比，由于本文所提的混合預(yù)編碼方法無需搜索整個(gè)碼書空間，因此其搜索復(fù)雜度與計(jì)算復(fù)雜度都遠(yuǎn)小于正交匹配追蹤算法。MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本章提出的基于幾何構(gòu)造的混合預(yù)編碼方法進(jìn)行了全面評(píng)估，仿真結(jié)果表明，該方法在單用戶、多用戶、單流、多流傳輸情境下，都能獲得優(yōu)異的