Massive MIMO-OFDM的多用户混合预编码技术研究

摘要

毫米波频段已选入5G商用频段，将为5G蜂窝通信系统承载高速数据传输并解决Sub-6GHz频带频谱紧张的问题。高频短波长的毫米波使天线及相关硬件便于集成，毫米波系统结合Massive MIMO可对抗毫米波自由空间传输的强衰落，结合混合预编码和能有效对抗多径衰落的OFDM，将为Massive MIMO多用户系统提供高波束增益、超高速率的传输，以满足5G高速传输要求。 传统全数字MIMO的射频链与天线一一对应，仅用基带预编码对信号预处理。采用全数字预编码的Massive MIMO系统将具有巨大成本与超高耗能，混合模拟/数字预编码方案用模拟预编码降低信号处理维度，有效减少射频链数量，降低预编码硬件成本与系统能耗，且性能接近全数字预编码。窄带混合预编码已研究较多，频率选择性衰落信道下的多用户混合预编码是本文研究重点。 本文先回顾传统单用户、多用户及OFDM系统的全数字预编码结构及常用预编码方案，接着介绍不同结构的模拟预编码器以及窄带、宽带毫米波信道模型。宽带多用户混合预编码系统，模拟预编码由各载波与用户共用，利用宽带毫米波信道特点，其混合预编码设计转变为窄带单用户设计，且采用两级数字预编码，一级辅助模拟预编码波束对准，另一级用混合块对角化算法控制用户间干扰。 对于传统全连接结构的模拟预编码器，研究了基于正交匹配追踪、交替最小化与波束成形算法的宽带多用户混合预编码算法，都逼近最优全数字编码矩阵，复杂度较高。为降低复杂度，本文提出了改进的基于均值信道协方差矩阵的宽带多用户混合预编码算法，避免了计算最优预编码矩阵，同时具有较好的性能。之后改进全连接结构的算法，以适用于能效更高、更易实现的传统子连接结构混合预编码系统中，仿真结果显示，子连接结构每个用户传输单个数据流时性能较好。 最后对三种改进结构的模拟预编码器的宽带多用户混合预编码方案进行研究，将传统结构的恒模约束转变为限模约束，能有更高的频谱效率。考虑硬件实现的可行性，提出了基于相移器、可调功率放大器及单刀多掷开关的动态天线选择结构，可实现信号相位与幅度的双重控制，并给出该结构下的宽带多用户混合预编码方案。其中单刀多掷开关可带来动态增益，该结构是极高能效的子连接映射结构。考虑量化误差时，相移器-可调功放结构引入的量化误差较小。

目录

第一章 绪论

1.1 混合预编码背景及意义

1.2 混合预编码研究现状

1.3 论文主要内容及结构

第二章 预编码系统结构及mmWave信道模型

2.1 预编码系统结构

2.1.1 全数字预编码系统结构

2.1.2 模拟预编码结构

2.2 mmWave信道模型

2.2.1 窄带mmWave信道模型

2.2.2 宽带mmWave信道模型

2.3 本章总结

第三章 SPS结构MU-Massive MIMO-OFDM混合预编码方案

3.1 通用数/模混合块对角化算法

3.2 SPS全连接结构MU-Massive MIMO-OFDM预编码系统模型

3.3 SPS全连接结构MU-Massive MIMO-OFDM混合预编码解决方案

3.3.1 基于OMP的宽带HBD预编码算法

3.3.2 基于AM的宽带HBD预编码算法

3.3.3 基于BF的宽带HBD预编码算法

3.3.4 基于CCM的宽带HBD预编码算法

3.3.5 算法仿真分析

3.4 SPS子连接结构MU-Massive MIMO-OFDM预编码系统模型

3.5 SPS子连接结构MU-Massive MIMO-OFDM混合预编码解决方案

3.5.1 基于AM的SPS子连接结构宽带HBD预编码算法

3.5.2 基于BF的SPS子连接结构宽带HBD预编码算法

3.5.3 基于CCM的SPS子连接结构宽带HBD预编码算法

3.5.4 性能分析

3.5.5 能效分析

3.6 本章小结

第四章 改进结构的MU-Massive MIMO-OFDM混合预编码方案

4.1 DPS结构MU-Massive MIMO-OFDM混合预编码方案

4.1.1 DPS结构RF预编码器的系统模型

4.1.2 DPS结构基于AM的宽带HBD预编码算法

4.1.3 DPS结构量化分析

4.2 FPS结构MU-Massive MIMO-OFDM混合预编码方案

4.2.1 FPS结构模拟预编码器及系统模型

4.2.2 FPS全连接结构WB-MU系统混合预编码设计

4.2.3 FPS组连接结构WB-MU系统混合预编码设计

4.3 PS-PA结构的动态天线选择系统混合预编码方案

4.3.2 PS-PA结构的动态天线选择系统

4.3.3 PS-PA结构的动态天线选择系统混合预编码

4.3.4 量化分析

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 本文未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究工作

个人简历