大规模MIMO BDMA下行链路检测方法研究

摘要

随着移动通信技术的快速发展，大规模MIMO（MIMO，Multi-Input Multi-Output）技术受到了越来越广泛的关注，大规模MIMO波束域空分多址(BDMA，Beam Division Multiple Access)传输方法利用大规模MIMO波束域信道呈现相对集中的特性，将多用户MIMO链路分解为等效的多个单用户MIMO链路，从而大幅降低了收发端的处理复杂度，为面向第五代(5G，5th Generation)移动通信系统的大规模MIMO传输技术提供了完整解决方案。本论文针对大规模MIMO BDMA下行链路检测方法展开研究。
　　首先，围绕大规模MIMO BDMA下行链路面临的用户干扰和接收机复杂度问题，研究了排序QR检测算法。根据大规模MIMO BDMA下行链路系统模型，建立了用户端的接收信号表达式，给出了线性最小均方误差(LMMSE，Liner Minimum Mean Square Error)检测算法和追零(ZF，ZeroForcing)排序QR分解(SQRD，Sorted QR Decomposition)软干扰抵消检测算法，在此基础之上通过引入扩展矩阵的方法，给出了MMSE SQRD和改进的MMSE SQRD软干扰抵消检测算法。为了解决ZF SQRD软干扰抵消检测算法误码率(BER，Bit Error Rate)性能较差，MMSE检测算法复杂度较高的问题，在改进的MMSE SQRD软干扰抵消检测算法的基础上，通过在扩展矩阵中引入正则化参数的方法，提出了基于正则化的MMSE SQRD软干扰抵消检测算法。仿真结果表明，所提算法在具有低复杂度的同时，具有较好的检测性能。
　　然后，针对采用正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)多载波技术的宽带大规模MIMO BDMA下行链路接收复杂度过高的问题，研究了插值SQRD检测算法。首先阐述了MIMO传输函数与Laurent多项式矩阵的关系，并给出了Laurent多项式矩阵的三种插值方法，进而阐述了插值QR分解和并行SQRD检测方法，并将两者与排序QR检测算法相结合，提出了大规模MIMO BDMA下行链路插值SQRD检测算法。接着，给出了基于插值的ZF并行SQRD软干扰抵消检测算法和基于插值及正则化的MMSE并行SQRD软干扰抵消检测算法的复杂度分析。仿真结果表明，大规模MIMO BDMA下行链路插值SQRD检测算法在具有良好BER性能的同时，可大幅度降低检测算法的复杂度。
　　最后，研究了大规模MIMO BDMA下行链路干扰抵消迭代检测算法。根据迭代接收机模型，本文阐述了软输入软输出(SISO，Soft-Input Soft-Output) MIMO检测器与SISO Turbo译码器迭代交互软信息的过程，以此分析了迭代接收机的工作原理。针对大规模MIMO BDMA下行链路干扰用户中存在强干扰的情况，在给出单用户MMSE迭代检测算法的基础上，提出了干扰抵消MMSE迭代检测算法。仿真结果表明，与单用户MMSE迭代检测算法相比，在QPSK、16QAM以及低码率64QAM调制方式下，干扰抵消MMSE迭代检测算法以较小的复杂度代价获得了显著的BER性能增益，但随着调制阶数和码率的升高，干扰抵消MMSE迭代检测算法己知更多信道信息的优势逐渐被削弱，两者的检测性能趋于一致。

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摘要

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本论文专用术语注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 MIMO技术

1．3 大规模MIMO技术

1．4 论文内容安排

1．5 数学符号约定

第二章 大规模MIMO BDMA传输方法

2．1 引言

2．2 大规模MIMO无线信道

2．2．1 信道模型

2．2．2 波束域信道

2．3 波束域下行最优传输理论

2．4 BDMA传输方法

2．4．1 信道统计信息获取

2．4．2 用户调度

2．4．3 单用户链路等效传输

2．4．4 上下行链路传输

2．5 本章小结

第三章 大规模MIMO BDMA下行链路排序QR检测算法

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 线性MMSE检测算法

3．4 ZF SQRD软干扰抵浦检测算法

3．4．1 ZF QR软干扰抵消检测算法

3．4．2 ZF排序QR分解方法

3．5 MMSE SQRD软干扰抵消检测算法

3．5．1 MMSE QR软干扰抵消检测算法

3．5．2 改进的MMSE QR软干扰抵消检测算法

3．5．3 MMSE排序QR分解方法

3．6 基于正则化的MMSE SQRD软干扰抵消检测算I法

3．6．1 基于正则化的MMSE QR软干扰抵消检测算法

3．6．2 正则化参数β的计算方法

3．7 仿真结果

3．7．1 复杂度分析

3．7．2 BER性能分析

3．8 本章小结

第四章 大规模MIMO BDMA下行链路插值SQRD检测算法

4．1 引言

4．2 MIMO传输函数与LP矩阵

4．2．1 MIMO传输函数

4．2．2 Laurent多项式矩阵

4．2．3 LP矩阵的插值方法

4．3 基于插值的P_SQRD检测

4．3．1 插值QR分解

4．3．2 P_SQRD检测方法

4．4 仿真结果

4．4．1 复杂度分析

4．4．2 BER性能分析

4．5 本章小结

第五章 大规模MIMO BDMA下行链路干扰抵消迭代检测算法

5．1 引言

5．2 迭代接收机模型

5．3 MMSE SISO迭代检测算法

5．3．1 单用户MMSE迭代检测

5．3．2 干扰抵消MMSE迭代检测

5．4 仿真结果

5．4．1 复杂度分析

5．4．2 BER性能分析

5．5 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

作者攻读硕士学位期间撰写的论文和专利

致谢