發(fā)布時間：2018-09-11 12:49

【摘要】：如今,大量無線終端的接入使得數(shù)據(jù)流量面臨指數(shù)級的增長,這要求未來移動通信技術(shù)實現(xiàn)新的突破。其中,大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO,multiple-inputmultiple-output)無線傳輸技術(shù)能夠有效地提升系統(tǒng)吞吐量,被認為是5G的核心技術(shù)之一。毫米波由于其豐富的頻譜資源以及易于與大規(guī)模MIMO相結(jié)合等優(yōu)勢,也引起研究者的廣泛關(guān)注。然而將毫米波應(yīng)用到移動通信系統(tǒng)最大的問題是由于頻點較高而導(dǎo)致的嚴重的多普勒效應(yīng)。正交頻分復(fù)用(OFDM,orthogonal frequency division multiplexing)因其較高的頻譜效率,和大規(guī)模MIMO相結(jié)合的MIMO-OFDM技術(shù)適用于高速率的寬帶系統(tǒng)傳輸。然而,如果大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的正交導(dǎo)頻,導(dǎo)頻開銷將成為限制系統(tǒng)性能的重要因素。本論文針對以上問題,研究了基于逐波束同步的大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)。首先,本文針對大規(guī)模MIMO波束域信道進行了建模和深入的研究。對大規(guī)模MIMO空間信道進行建模,研究了空間域信道與波束域信道之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,進而提出波束域傳輸方法。在此基礎(chǔ)上,揭示了波束域信道的稀疏特性,為本文基于壓縮感知的信道信息獲取方法提供了理論依據(jù)。接著,本文推導(dǎo)了波束域信道的近似表達,揭示了波束域信道多普勒擴展和時延擴展的帶狀特性,具體而言,與空間域信道相比,波束域信道的多普勒擴展和時延擴展將大幅減小,且多普勒擴展減小的倍數(shù)近似等于移動臺天線數(shù)目,這為基于逐波束同步傳輸方法的研究提供了重要的理論依據(jù)�；谏鲜鲂诺捞匦�,本文針對移動場景下的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)提出了基于逐波束同步的傳輸方法�？紤]到移動臺具有多波束的分集度,提出了基于波束域統(tǒng)計信道信息的貪婪用戶波束調(diào)度算法。在基本時頻同步技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出波束域時頻同步方法,仿真實驗說明了該方法參數(shù)估計的精度大大提高。由于波束域信道的多普勒擴展和時延擴展都大幅減小,本文提出了基于逐波束同步的上行聯(lián)合接收和下行聯(lián)合發(fā)送的傳輸方法,該方法能夠有效地減小信道在頻域和時域的色散,緩解毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的多普勒效應(yīng)。理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真都表明,同步之后的等效信道在頻率域和時間域都具有慢變特性,因此信道的相干時間和相干帶寬都會增加,從而帶來較大的性能增益。仿真實驗驗證了本文所提出的基于逐波束同步傳輸方法的性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的天線域同步傳輸方法,尤其當移動性增強或者移動臺天線數(shù)目較多時,其性能優(yōu)勢更加明顯。在逐波束同步基礎(chǔ)上,本文研究了大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)上行鏈路的導(dǎo)頻設(shè)計與信道估計方法,以解決導(dǎo)頻開銷較大的問題。通過利用信道在波束時延域的稀疏性,將上行多用戶系統(tǒng)的信道估計問題轉(zhuǎn)化成一個壓縮感知模型。在壓縮感知的框架下,本文提出一種循環(huán)移位的導(dǎo)頻設(shè)計,該導(dǎo)頻被證明能滿足有限等距性質(zhì),其中有限等距性質(zhì)是壓縮感知能夠成功重建信號的必要條件。由于信道的稀疏性被充分利用,因此本文所提出的方法能大幅減小導(dǎo)頻開銷。進一步的,提出基于近似消息傳遞(AMP,approximate message passing)的信道估計方法,該方法能夠以較低的復(fù)雜度進行近似貝葉斯推斷。仿真結(jié)果說明,本文所提出的導(dǎo)頻方案和基于AMP的信道估計方法顯著優(yōu)于其它方法,尤其在低信噪比時。此外,相較于傳統(tǒng)微波大規(guī)模MIMO系統(tǒng),毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能優(yōu)勢更加顯著。
[Abstract]:Nowadays, a large number of wireless terminal access makes the data flow face exponential growth, which requires a new breakthrough in future mobile communication technology. Among them, large-scale MIMO (multiple-input multiple-output) wireless transmission technology can effectively improve system throughput, which is considered as one of the core technologies of 5G. Due to its abundant spectrum resources and easy integration with large-scale MIMO, it has attracted wide attention of researchers. However, the biggest problem of applying millimeter wave to mobile communication system is the serious Doppler effect caused by high frequency point. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is the main reason. However, if the large-scale MIMO-OFDM system still uses the traditional orthogonal pilot, the pilot overhead will become an important factor limiting the performance of the system. Modular MIMO transmission technology. Firstly, this paper studies the modeling and in-depth study of large-scale MIMO beam-domain channel. The modeling of large-scale MIMO spatial channel is carried out, and the conversion relationship between space-domain channel and beam-domain channel is studied. Then, the approximate expression of the beam-domain channel is deduced, and the band-like characteristics of the Doppler spread and the delay spread of the beam-domain channel are revealed. The reduction of Doppler spread is approximately equal to the number of antennas of the mobile station, which provides an important theoretical basis for the research of beam-by-beam synchronous transmission method. Based on the above channel characteristics, a beam-by-beam synchronous transmission method is proposed for millimeter wave large-scale MIMO systems in mobile scenarios. A greedy user beam scheduling algorithm based on statistical channel information in beam domain is proposed for multi-beam diversity. On the basis of basic time-frequency synchronization technology, a beam-domain time-frequency synchronization method is proposed. Simulation results show that the accuracy of parameter estimation is greatly improved. In order to reduce the Doppler effect of millimeter-wave large-scale MIMO systems, a new method based on beam-by-beam synchronization is proposed, which can effectively reduce the channel dispersion in frequency domain and time domain and mitigate the Doppler effect of millimeter-wave large-scale MIMO systems. The simulation results show that the performance of the proposed method based on beam-by-beam synchronization is significantly better than that of the traditional antenna-domain synchronization transmission method, especially when the mobility is enhanced or the number of mobile antennas is increased. On the basis of beam-by-beam synchronization, this paper studies the pilot design and channel estimation methods for uplink of large-scale MIMO-OFDM systems to solve the problem of high pilot overhead. By utilizing the sparsity of the channel in the beam delay domain, the channel estimation problem of uplink multiuser systems is transformed into that of uplink multiuser systems. In the framework of compressed sensing, a cyclic shift pilot design is proposed. The pilot is proved to satisfy the finite equidistant property, in which the finite equidistant property is a necessary condition for compressed sensing to successfully reconstruct a signal. Furthermore, a channel estimation method based on approximate message passing (AMP) is proposed, which can perform approximate Bayesian inference with low complexity. Simulation results show that the proposed pilot scheme and AMP-based channel estimation method are significantly superior to other methods, especially. In addition, compared with traditional microwave large-scale MIMO systems, millimeter-wave large-scale MIMO systems have more significant performance advantages.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN919.3

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本文編號：2236734