大规模MIMO系统中联合空分复用算法研究

摘要

大规模MIMO技术通过增加收发端的天线数量，可以大幅度地提高系统的谱效、能效和通信质量，被认为是新一代移动通信系统的关键技术。在大规模MIMO系统中，信道状态信息（Channel State Information，CSI）的获取是其发挥高系统性能的关键所在，但是由于基站端天线数目比较大，CSI的获取需要耗费大量的系统资源。为了解决这个问题，在频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）大规模MIMO系统中提出了联合空分复用（Joint Spatial Division and Multiplexing，JSDM）的思想。本文围绕JSDM算法进行研究，主要工作内容如下： 1、提出了基于JSDM的大规模MIMO系统能效优化算法。该算法利用了JSDM能够有效降低系统开销的优势，将其运用于能效问题的分析研究中。在相同的系统功耗模型下，与基于等功率分配的能效优化算法和基于拉格朗日的能效优化算法做比较。仿真实验结果表明，当发射功率较小时，JSDM算法在降低系统开销的同时，仍能保持较好的系统能效。 2、提出了基于WMMSE的JSDM算法，并将其运用于大规模MIMO系统的和速率优化问题中。在传统JSDM算法的二级预编码矩阵实现过程中，组间干扰被忽略不计。本文所提算法利用加权最小均方误差（Weighted Minimum Mean Squared Error，WMMSE）将组间干扰考虑在内，并通过和速率最大化问题和WMMSE最小化问题之间的等价关系，将求解最大和速率转化为求解最小加权均方误差。通过对仿真结果进行分析，证明了本文提出的基于WMMSE的JSDM算法在中低信噪比区域内能够有效改善系统和速率。此外，仿真结果进一步分析了有效秩对算法性能的影响，说明要依据协方差矩阵的特征值分布情况来选取有效秩的大小。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容及章节安排

2 JSDM算法基础知识

2.1 引言

2.2 系统容量的定义

2.2.1 系统模型

2.3 联合空分复用算法思想

2.4 块对角化预编码算法

2.5 迫零预编码算法

2.6 最小均方误差算法

2.7 本章小结

3 基于JSDM的能效优化技术研究

3.1 引言

3.2 能效的定义

3.3 基于联合空分复用的能效分析

3.3.1 系统模型

3.3.2 JSDM一级预波束成形矩阵设计原理

3.3.3 JSDM二级预编码矩阵设计原理

3.3.4 JSDM算法下的能效数学模型

3.4 单小区大规模MIMO系统下行链路能效分析

3.5 仿真结果及分析

3.6 本章小结

4 基于WMMSE的JSDM算法

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 基于WMMSE的预编码矩阵设计原理

4.4 基于WMMSE的JSDM算法流程图

4.5 性能仿真与结果分析

4.6 本章小结

5 论文总结与展望

5.1 工作总结

5.2 未来研究的展望

参考文献

作者简历

致谢