大规模MIMO与OFDM无线通信信道信息获取理论方法研究

摘要

近年来，各种新的无线应用层出不穷，促使无线数据业务持续迅猛增长。未来移动通信系统期望进一步提高频谱效率，并支持更多的终端以实现万物互联。为实现前述目标，目前大规模天线技术(massive MIMO)和全双工技术有希望竞选进入第五代(5G)移动通信系统的物理层技术，同时第四代(4G)移动通信系统的正交频分复用(OFDM)技术有望被继续沿用到第五代移动通信系统。为了在复杂多变的无线信道上进行数据传输，采用上述物理层技术的未来通信系统需要获取无线信道信息。为此，本论文开展大规模MIMO与OFDM无线通信信道信息获取理论方法研究。
　　首先，研究正交频分复用系统的信道估计问题，重点关注变换域信道估计方法，包括离散余弦变换(DCT)和离散傅里叶变换(DFT)这两种正交变换。变换域信道估计器存在信道泄漏问题，该问题会使得信道估计器的性能变差;为解决该问题，提出采用部分最小均方误差(MMSE)滤波来估计信道泄漏进而恢复信道泄漏成分。具体地，对于基于离散余弦变换估计器，推导出信道在变换域的精确表达式，并基于该表达式给出门限设定方法;进而，基于该表达式提出门限抽取区域外信道泄漏的估计方法，并降低所提出泄漏估计器的实现复杂度。对于基于离散傅里叶变换估计器，推导信道在变换域的精确表达式，并基于该表达式提出低复杂度的信道泄漏估计方法，所提出的方法逼近最优的MMSE估计器。数值仿真验证所提出信道估计算法的优异估计性能。
　　然后，研究大规模天线和正交频分复用系统的导频调度算法，以使被服务用户能有效地获取信道信息。提出利用信道的延时域和角度域这两个维度的特性来为用户分配导频资源，其中延时域特性的利用是通过合适地设计循环移位导频信号来实现的。分析存在导频污染时传播信道的渐近行为，并基于该渐近特性提出增强型匹配滤波(E-MF)预编码器。对于简单的匹配滤波(MF)和精心设计的增强型匹配滤波预编码器，推导出导频污染下信道径数有限及无穷时可达速率的表达式，该可达速率被作为服务质量(QoS)的度量值。进一步，在用户信道同构的假设下分析用户调度问题，得出角度域等间隔排布性质。提出低复杂度的导频调度算法，该算法能最大化服务质量保证用户的数量。数值仿真验证前述可达速率的分析和所提出的用户调度算法在最大化服务质量保证用户的数量上的优异性能。
　　接着，研究由大规模天线基站和全双工中继构成的两层无线通信系统的信道估计问题。在全双工模式运作下，通信系统会存在自干扰和直接链路干扰，这使得信道估计问题具有挑战性。存在上述两种干扰时，考虑两个信道估计问题:单跳信道估计和级连信道估计。单跳信道估计问题中，基站和中继估计它们各自对应的信道;级连信道估计问题中，只有基站估计级连两跳信道。为解决上述两个信道估计问题，提出利用信道波束域稀疏性及其慢变特性的基站侧信道估计器，并分析该估计器正确区分期望信道径和干扰直接链路信道径的概率。此外，基于期望最大化(EM)算法，提出同时估计源至中继信道和中继到中继自干扰信道的中继侧信道估计器，并分析该估计器的性能。数值仿真验证上述分析结果并展示所提出的算法的优异性能。
　　最后，研究频分双工(FDD)大规模天线系统的波束域信道估计问题。在宏蜂窝场景中，由于无线信道的有限散射现象，大规模天线系统的信道在波束域上通常具有稀疏特性。因而，对于波束域信道估计问题，重点关注利用门限方法来抽取稀疏信道的有效信道径。首先，推导门限类信道估计器均方误差(MSE)的闭式表达式，并基于该表达式提出最优门限;进一步，提出仅与噪声方差相关的简化门限。此外，提出辨识波束域公共支集的门限设定方法，并给出利用公共支集的信道估计方法。对于信道反馈问题，提出基于门限的反馈方案，即是说，仅反馈波束域中被门限辨识出的信道径。数值仿真验证理论分析结果及提出的门限类算法的优异性能。

目录

声明

摘要

符号说明

英文缩略语表

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景

1．1．1 OFDM技术

1．1．2 大规模MIMO技术

1．1．3 全双工技术

1．1．4 信道信息获取

1．2 论文的研究工作

第二章 OFDM系统信道估计

2．1 引言

2．2 信道及系统模型

2．2．1 信道模型

2．2．2 系统模型

2．3 基于DCT的信道估计

2．3．1 门限设定

2．3．2 泄漏估计

2．4 基于DFT的信道估计

2．4．1 基本估计方法

2．4．2 泄漏估计

2．4．3 部分MMSE估计器

2．4．4 简化部分MMSE估计器

2．4．5 参数设定

2．4．6 复杂度分析

2．5 数值仿真结果

2．5．1 DCT方法

2．5．2 DFT方法

2．6 本章小结

第三章 大规模MIMO-OFDM系统导频调度

3．1 引言

3．2 系统模型

3．2．1 信号模型

3．3 信道估计

3．4 下行速率分析

3．4．1 预备知识

3．4．2 MF预编码

3．4．3 E-MF预编码

3．4．4 速率评估

3．5 调度分析和算法

3．5．1 预备知识

3．5．2 MF预编码

3．5．3 E-MF预编码

3．5．4 调度算法

3．6 数值仿真结果

3．7 本章小结

3．8 附录

3．8．1 引理3．2的证明

3．8．2 引理3．3的证明

3．8．3 定理3．1的证明

3．8．4 引理3．4的证明

3．8．5 命题3．1的证明

3．8．6 定理3．2的证明

3．8．7 定理3．3的证明

第四章 大规模MIMO和全双工中继系统信道估计

4．1 引言

4．2 系统介绍

4．2．1 系统模型

4．2．2 信道模型

4．3 单跳信道估计

4．3．1 基站信道估计

4．3．2 中继信道估计

4．4 级连信道估计

4．4．1 基站信道估计

4．4．2 性能分析

4．4．3 导频传输阶段残留自干扰的影响

4．5 数值仿真结果

4．5．1 单跳信道估计

4．5．2 级连信道估计

4．5．3 传输性能

4．6 本章小结

4．7 附录

4．7．1 引理4．1的证明

4．7．2 定理4．1的证明

4．7．3 推论4．1的证目月

4．7．4 引理4．2的证明

4．7．5 定理4．2的证明

4．7．6 式(4-39)的证明

4．7．7 引理4．3的证明

第五章 FDD大规模MIMO系统信道估计

5．1 引言

5．2 系统描述

5．2．1 信道模型

5．2．2 导频传输

5．3．1 估计算法

5．3．2 含有Lm，β和σ2的最优门限

5．3．3 仅含有σ2的简化门限

5．4 利用公共支集的估计

5．4．1 辨别公共支集~S的门限

5．4．2 估计算法

5．5 数值仿真结果

5．5．1 门限类估计

5．5．2 利用公共支集的估计

5．6 本章小结

5．7 附录

5．7．1 定理5．1的证明

5．7．2 定理5．2的证明

5．7．3 推论5．1的证明

5．7．4 定理5．3的证明

5．7．5 推论5．2的证明

5．7．6 参数C的有效计算

5．7．7 定理5．4的证明

第六章 总结与展望

6．1 全文总结及主要贡献

6．2 进一步研究的方向

参考文献

作者攻读博士学位期间发表与投递的论文

作者攻读博士学位期间授权与申请的专利

致谢