矩阵求逆在大规模MIMO中的应用

摘要

第四代移动无线通信技术的日趋完善与推广，为人们的生活带来了极大的方便。随着数据业务需求的增大，第五代无线通信系统(5G)也进入了人们的视野，其中天线数远大于常规MIMO的大规模MIMO作为5G的关键技术，极大的提升了系统性能，具有广阔的应用前景。同时在有限的传输带宽和天线发送功率下，大规模MIMO大大提升频谱利用率，对第五代移动通信技术的推广和应用意义重大。
　　本文第二章首先研究了大规模MIMO中的信道检测算法与预编码算法，对于大规模MIMO中的信道检测算法分别介绍了最优检测算法、线性检测算法和非线性检测算法，不仅分析了各自优缺点，而且分析了矩阵求逆在信道检测中的应用。本章同时分析了大规模MIMO中的预编码算法，并且研究了线性预编码与非线性预编码的区别，以及在不同的场景下优缺点。最后引入了矩阵求逆在预编码中的应用。
　　大规模MIMO中矩阵求逆运算在信道检测算法与预编码算法中占据重要地位，求逆运算复杂度相对较高，硬件资源的消耗也较大，选择一个好的矩阵求逆算法至关重要。本文第三章介绍了矩阵求逆的常用方法，分析对比了各种算法的优缺点，而信道检测和预编码算法中涉及的求逆矩阵为Hermite矩阵，针对该特点，本文选择了复杂度相对较低的基于改进型Cholesky分解的矩阵求逆算法。
　　基于8根发射天线，32根接收天线的通信系统，本文对8?8的矩阵求逆的硬件电路设计，对矩阵求逆模块进行浮点和定点仿真，统计相对误差，使其在一定的误差要求内尽可能的节省资源，将矩阵求逆模块应用在MMSE检测模块中进行定点仿真，最终确定定点方案。其次，对矩阵求逆模块按照模块化设计，使用Verilog语言编写代码，对矩阵求逆的硬件设计模块使用Modelsim进行功能仿真，并通过搭建测试平台测试电路设计的正确性。此外，还将矩阵求逆模块应用在MMSE线性检测模块中进行验证，确保其符合工程需要。最后本文还论证了文中实现的矩阵求逆的硬件电路可以兼容更多天线的通信模型。

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缩略词表

主要数学符号表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2大规模MIMO技术国内外研究动态

1.3矩阵求逆在大规模MIMO中的作用

1.4 论文结构及内容安排

第二章 大规模MIMO中的信道检测及预编码技术

2.1 MIMO系统的信道模型及容量

2.2信道估计的研究

2.3大规模MIMO中的信道检测算法

2.4大规模MIMO中的预编码算法

2.5本章小结

第三章 矩阵求逆的算法研究

3.1矩阵求逆算法概述

3.2全选主元高斯-约旦法(Gauss-Jordan)

3.3矩阵的三角分解法求逆

3.4本章小结

第四章 矩阵求逆的硬件实现及其应用

4.1 FPGA开发环境介绍

4.2矩阵求逆模块的Matlab仿真与定点化设计

4.3矩阵求逆的硬件实现方案

4.4矩阵求逆模块测试与验证

4.5矩阵求逆在信道检测中的应用

4.6本章小结

第五章 全文总结

5.1 工作总结

5.2 论文中的问题及展望

致谢

参考文献

个人简历及攻读硕士研究生期间参加的科研项目