FDD大规模MIMO系统信道外推关键技术研究

摘要

快速兴起的移动社交网络与移动多媒体业务等业务对数据传输速率的提高和应用类型多样化的实现提出了更加严格的要求，因而为了满足用户日益严苛的移动通信需求，大规模多输入多输出(MIMO,Multiple-InputMultiple-Output)技术顺势而生。频分双工(FDD,FrequencyDivisionDuplex）是移动通信系统中应用最广泛的双工模式之一，然而大规模MIMO的使用给FDD系统的下行信道状态信息（CSI,ChannelStateInformation）估计带来了挑战。由于FDD系统缺乏上下行链路的信息互易性，因而下行CSI通常通过下行导频训练与反馈获得，但是大规模MIMO的基站（BS,BaseStation）无法为大量天线端口设计完全正交的导频，因此必须有新的思路来解决这个问题。针对上述问题，本论文将从信道估计方法的复杂度、下行链路重构所需的导频开销、双极化系统的信道特性与多用户场景下的信道特性等方面研究低开销的大规模MIMO系统无线传输理论与关键技术，同时为大规模MIMO技术现有的问题寻求解决方案。 首先，介绍MIMO系统原理并对现有信道重构方法进行调研。对无线信道的基本模型、MIMO系统概念与正交频分复用（OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术原理进行详细介绍，并对当前FDD模式下的信道重构与信道外推方法进行调研与总结，指出FDD模式下下行链路信道重构复杂度高、导频开销大等问题，为后续研究面向双极化天线系统与多用户场景下MIMO系统的信道重构方法设计奠定基础。 其次，面向双极化MIMO系统，研究基于极化无关特性的信道重构方法，提出一种基于传播路径的数目、时延和波达角等具有极化无关特性CSI的双极化信道外推方案。该方案依据不同极化方向信道之间的空间相似特性，首先用户在初始极化方向发射大量导频，BS采用牛顿正交匹配追踪算法（NOMP,NewtonizedOrthogonalMatchingPursuit）估计得出该极化方向信道的极化无关参数；接着，利用少量导频对外推信道的极化无关参数进行细化，重构其它极化方向的信道；并进一步考虑不同极化方向下信道非完美互易的情况，设计基于每条路径能量进行外推补偿的方法。仿真结果表明：极化外推信道重构方法具有有效性与成本节约性，同时实测数据的验证显示该方案在NLoS传播环境中也能够得到很好的应用。 随后，面向多用户场景下的大规模MIMO系统，研究基于邻近用户信道空间相似特性的信道重构方法，设计一种包含用户调度模块与用户外推模块的用户上行信道外推方案。在第一个用户调度模块中，通过比较用户上行信道方向图的相似度对小区内用户进行分组，将邻近用户聚类为一组，具有高灵活度，在后续的第二个用户外推模块中，依据模块一的用户调度结果来进行各小组独立的用户外推；模块二首先用NOMP算法精确估计本组内的初始用户信道，接着由初始用户估计结果衍生出小尺寸字典，然后用一半的导频在小尺寸字典内外推出本组内其余用户的CSI，并依据这些CSI参数重构外推用户的上行信道。仿真结果表明：本用户外推方案在较低计算复杂度和较小导频开销的情况下，能够有效地重构多用户信道，并且在小区内用户规模较大且用户间距离较大场景下也具有良好的性能。 最后，面向FDD多天线系统，研究低开销的下行链路重构方法，提出一种基于FDD模式中上下行链路间空间互易性的下行CSI优化与量化反馈方法。首先利用NOMP算法在上行链路完成频率无关性参数的估计，包括每条路径的时延和角度，并将它们量化至NOMP算法中过采样码本的格子点上，从而作为初始参数；接着仅用少量接收天线传输下行训练导频及上行链路CSI的估计结果，并根据用户端的下行接收信号对初始参数进行优化；最后设计一种基于过采样码本的高精度量化方法，在用户端对各路径的时延、波达角和增益分别进行量化，最后将结果告知BS，在BS端完成下行链路的重构。仿真结果表明：所提带量化反馈方法的下行链路重构方案具有优异的信道重构性能，并且它能适应上下行链路CSI存在差异的显示通信场景，在实际应用中具有可用性。