3D MIMO多用户系统有限反馈技术研究

摘要

多用户MIMO技术凭借其在提高系统容量和频谱利用率等方面的巨大优势已经成为未来移动通信的一项关键技术。多用户之间的于扰是限制下行多用户MIMO系统容量提升的最关键的因素之一。通过在基站端进行合适的预编码可以有效的减少多用户干扰，从而达到提高系统性能的目的。随着天线技术的不断发展，天线系统从传统的波束下倾角固定的一维天线阵列逐渐发展成为先进的下倾角可调的二维天线阵列，对MIMO技术的研究也逐渐从二维(2D)平面发展到三维(3D)空间。本论文围绕3D MIMO多用户系统下行传输方法展开研究，重点研究有限反馈技术。 首先，本文总结分析了3D MIMO多用户传输技术基础，对多用户MIMO可达和速率进行了分析，并对3D MIMO信道的建模方法进行了总结，另外还重点研究了三种天线阵列模型，包括有源天线阵列模型、逻辑端口模型和机械下倾角模型，通过比较相应的天线端口增益，证明了这三种模型可以达到近似等效的主瓣性能。 然后，本文在总结常见码书设计方法的基础上，研究分析了四种信道状态信息(CSI)反馈方案，包括常规反馈方案(NFS)、最佳伙伴配对(BCP)、最佳伙伴群(BCC)和基于预编码矩阵指示(PMI)的迫零(ZF)预编码方案。仿真结果表明，基于PMI的ZF预编码方案的系统和速率最大，但此时预编码矩阵的计算需要引入伪逆运算，复杂度较高。而BCC方案的预编码矩阵计算简单，并且可以保证较高的用户配对率，反馈量适中，系统吞吐量性能优越。因此，对于基站处理能力强的情况，基于PMI的ZF预编码是最优方案，反之，BCC方案是最优方案。 接着，本文研究了3D MIMO多用户系统下行有限反馈传输方案。针对基站配置阵元数不是很多的均匀平板阵列(UPA)的情况，提出了一种直积码书(KPC)设计方法。在该方法中，码字由两个分别取自垂直DFT码书和水平DFT码书的码字直积得到。相比于传统的码书设计方法，直积码书充分利用了三维空间的垂直维度，有利于提高CSI反馈的准确性。进一步，在直积码书波束方向图研究的基础上，提出了两种码书分组方案，分别为均匀分组方案和非均匀分组方案，从而在3D MIMO多用户系统中实现了基于BCC的CSI反馈。仿真结果表明，通过对直积码书进行合适的分组，所提出的3D MIMO多用户有限反馈方案可以显著提高系统的和速率性能。 最后，本文研究了毫米波大规模MIMO系统有限反馈方法。针对基站配置大规模UPA天线，并且载波采用毫米波的场景，深入研究分析了固定波束域信道和自适应波束域信道的能量集中特性，并在此基础上提出了一种波束域有限反馈传输方案。在该方案中，基站根据上行信道的统计信息确定波束域信道生成矩阵，并选择波束发送用户专用导频，用户根据接收到的导频信息完成波束域信道估计，并将波束域CSI反馈给基站，基站根据用户反馈的波束域CSI后进行ZF预编码，最终完成数据传输。仿真结果表明，该方法充分利用了毫米波大规模MIMO波束域信道能量集中的特性，突破了FDD大规模MIMO系统下行信道信息获取困难的瓶颈，利用有限的反馈量实现了可观的系统和速率性能。

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本论文专用术语的注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 MIMO技术演进

1．3 有限反馈预编码技术演进

1．4 论文的内容安排

1．5 数学符号约定

第二章 3D MIMO多用户传输技术基础

2．1 引言

2．2 单用户MIMO传输模型

2．3 多用户MIMO传输模型

2．4 多用户MIMO可达速率分析

2．5 3D MIMO信道模型

2．5．1 物理信道模型

2．5．2 统计信道模型

2．5．3 天线阵列模型

2．6 本章小结

第三章 多用户MIMO有限反馈技术

3．1 引言

3．2 有限反馈系统模型

3．3 码书设计方法

3．3．1 DFT码书

3．3．2 基于波束簇的码书

3．3．3 自适应码书

3．3．4 差分码书

3．4 基于码书的CSI反馈方案

3．4．1 常规反馈方案

3．4．2 最佳伙伴配对

3．4．3 最佳伙伴群

3．4．4 基于PMI的ZF预编码

3．4．5 CSI反馈方案比较

3．5 本章小结

第四章 基于直积码书的3D MIMO多用户有限反馈方法

4．1 引言

4．2 系统模型

4．2．1 下行3D MIMO多用户传输模型

4．2．2 天线阵列模型

4．3 传输方案设计

4．3．1 码书设计

4．3．2 CSI有限反馈

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

第五章 毫米波大规模3D MIMO多用户有限反馈方法

5．1 引言

5．2 系统模型

5．3 波束域信道

5．3．1 固定波束域信道

5．3．2 自适应波束域信道

5．4 传输方案设计

5．5 仿真结果与分析

5．6 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的研究成果

致谢