大规模MIMO波束成形关键技术研究及验证

摘要

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技术通过在基站侧配置大数量天线以最大程度的挖掘空间维度资源，能在降低终端用户设计复杂度的同时大幅提升频谱和能量利用效率。然而，如何有效的将波束成形技术应用到大规模天线通信场景下成为了新的挑战，适用于小规模MIMO系统中的非线性预编码波束成形手段会随着天线数的提升造成难以承受的计算复杂度。本论文将从算法分析、方案设计以及工程实现三方面开展大规模MIMO中波束成形关键技术的研究及验证，主要内容如下： 首先，论文分析了适用于大规模MIMO中的非码本方式的线性预编码算法。论文从大规模MIMO信道模型分析介入，探讨了线性预编码技术的算法模型，并详细分析了匹配滤波器、迫零和最小均方误差三种预编码算法的工作原理；在此之上，考虑到实际TDD通信场景中上下行信道不具有互易性，论文针对性的讨论了如何在波束成形过程中结合通道校准以解决该问题。 其次，论文从通信性能需求着手，分析了基于TD-LTE协议的大规模MIMO波束成形信号处理方案；其中重点探讨了预编码、上行信道估计和通道校准三个主要模块的详细信号处理流程。除此之外，论文基于信号处理方案设计了对应的全链路仿真模型，并结合仿真结果验证了大规模MIMO场景下不同预编码算法，不同基站天线数，不同用户数以及不同通道校准误差对通信性能的影响。 最后，论文结合工程背景，基于工程平台，分析了一个基站端共有128个天线振子并能同时服务两个终端用户的大规模MIMO系统的实现细节。论文基于该系统进行了对应的功能与性能测试，测试结果进一步印证了理论分析，表明基站天线数的增多能有效提升波束成形增益，改善通信传输性能。 论文一方面从理论角度介绍了大规模MIMO波束成形算法原理，另一方面从工程角度实际实现了大规模MIMO波束成形系统并进行了相关性能测试，在学术及产业应用领域都具备一定的参考价值。

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