单精度量化大规模MIMO系统上行信道估计与导频设计

摘要

随着移动通信的迅猛发展，第五代移动通信系统需要支持更高的数据传输速率。而由于无线资源的日渐紧张，大规模多输入输出（MIMO）技术可以充分利用空间资源，因而可以大幅度提高能量效率和频谱利用率，成为了5G的关键技术之一。同时大规模MIMO系统存在着海量数据处理、系统总消耗功率巨大、硬件成本昂贵等问题。对于解决上述问题一种有效的技术是在基站的接收机中使用低精度的模数转换器（ADC），以此来降低大规模MIMO系统部署的成本与功耗。要使系统在低精度量化的基础上进行可靠且高速的通信，则必须获取更加准确的信道状态信息（CSI）。由于小区内所有用户同时同频工作，为避免小区内干扰，所以单个小区内的用户需发送相互正交的导频序列。基于以上对CSI和导频的要求，本文将重点研究单精度量化大规模多输入输出（One-Bit Massive MIMO）系统的上行信道估计和导频设计问题。
　　首先，介绍了单用户SIMO系统和大规模多用户MIMO系统模型以及相应的信道模型，并分析了在TDD通信方式下系统上行导频传输及上下行数据传输过程。
　　其次，介绍了单用户SIMO系统的上行信道估计。首先阐述了不同类型CSI对系统信道容量的影响。接着介绍了基于导频的信道估计算法，进而分析了在线性接收下的数据检测。最后在此基础上推导了系统的可达速率。
　　随后，基于单精度量化单用户SIMO系统上行信道估计，研究了单精度量化大规模多用户 MIMO系统中的最小二乘（LS）估计和最小均方误差（MMSE）估计。但由于上述两种算法均是基于信道输入和量化输出之间的互信息量，因而不能直观地体现量化噪声对信道估计性能及可达速率的影响。接下来通过基于Bussgang分解理论的线性分解来表示单精度量化输入输出之间的关系，进而推导出了线性最小均方误差（LMMSE）估计。最后分析了三种算法的复杂度、均方误差（MSE）以及系统的可达速率。仿真结果表明，LS估计的性能最差，但计算复杂度更低，也更适合大规模MIMO系统。
　　最后，本文提出了一种新的基于循环移位 Zadoff-Chu(ZC)序列的正交导频生成方案。首先对常用的参考信号基序列的特性进行了分析，进而深入研究了现有文献中正交导频的生成方式，即控制小区内所有用户在不同的时隙段发送各自的导频（时间导频）。然后针对时间导频的数据传输效率较低这一缺陷，本文提出了一种新的正交导频生成方案，即通过ZC序列在时域循环移位生成不同用户的导频（ZC导频），进而以最大化可达速率为目标对导频长度进行优化。仿真结果表明，与现有文献中的导频生成方案相比，采用本文所提方案可以将信道估计的 MSE降低约12％，由于对导频长度进行了优化，系统可达速率提高了约10%。

目录

物理量名称及符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 低精度量化大规模MIMO技术

1.3 国内外的研究现状分析

1.4 论文研究内容及结构安排

第二章 单精度量化大规模MIMO系统

2.1 引言

2.2 系统模型

2.3 信道模型

2.4 传输过程

2.5 本章小结

第三章 单精度量化单用户SIMO系统上行信道估计

3.1 引言

3.2 不同信道状态信息对信道容量的影响

3.3 基于导频的信道估计

3.4 系统可达速率

3.5 本章小结

第四章 单精度量化大规模多用户MIMO系统上行信道估计

4.1 引言

4.2常规信道估计算法

4.3 线性最小均方误差（LMMSE）估计

4.4 算法复杂度分析

4.5 系统可达速率

4.6 仿真结果

4.7 本章小结

第五章 单精度量化大规模多用户MIMO系统导频设计

5.1 引言

5.2 参考信号基序列

5.3 导频序列设计

5.4 导频长度优化

5.5 仿真结果

5.6 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢