【摘要】：隨著便攜式移動(dòng)終端的大規(guī)模普及和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量爆炸式的增長(zhǎng),用戶對(duì)于高數(shù)據(jù)速率和高質(zhì)量無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益增高。多輸入多輸出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)作為新一代無線傳輸技術(shù),可以成倍的提升頻譜效率和鏈路質(zhì)量。近年來,MIMO相關(guān)理論研究成果表明,隨著天線陣列規(guī)模的增大,MIMO系統(tǒng)可以獲得更大的空間自由度,這使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和可靠性可以得到進(jìn)一步提升。因此,為了滿足用戶不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)速率需求,大規(guī)模MIMO技術(shù),即使用大規(guī)模天線陣列的MIMO技術(shù),在未來通信系統(tǒng)中將具有非常廣闊的應(yīng)用前景�？紤]到射頻鏈路的開銷與功耗,大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)通常采用混合模擬與數(shù)字的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下,傳統(tǒng)的全數(shù)字預(yù)編碼被拆分成數(shù)字預(yù)編碼與模擬預(yù)編碼兩部分,通過這種拆分處理,系統(tǒng)所需的射頻鏈路數(shù)目得以大幅降低。本文深入研究基于混合模擬與數(shù)字結(jié)構(gòu)的規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的優(yōu)化問題,并分別就單用戶與多用戶系統(tǒng)提出了不同的預(yù)編碼方案。除此之外,本文還從混合模擬與數(shù)字結(jié)構(gòu)的規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的實(shí)際部署的角度出發(fā),著眼于解決引入更高階調(diào)制方式后的信道質(zhì)量指示(CQI,Channel Quality Indicator)表格設(shè)計(jì)以及反饋問題。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:第一,針對(duì)單用戶混合模擬與數(shù)字結(jié)構(gòu)的規(guī)模天線陣列系統(tǒng),本文首先分析了基于部分連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與基于全連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在預(yù)編碼方案設(shè)計(jì)思路上的不同,并定性分析了兩者的性能差距。隨后,本文就高、低信噪比(SNR,Signal to Noise Ratio)兩種情況分別提出了相應(yīng)的混合預(yù)編碼優(yōu)化方案。最后,本文推導(dǎo)出了所提方案可達(dá)速率上界的閉式表達(dá)。第二,針對(duì)多用戶混合模擬與數(shù)字結(jié)構(gòu)的規(guī)模天線陣列系統(tǒng),本文對(duì)單載波系統(tǒng)和多載波系統(tǒng)兩種情況分別提出了相應(yīng)的混合預(yù)編碼優(yōu)化方案。對(duì)于單載波多用戶系統(tǒng),本文主要研究了系統(tǒng)頻譜效率優(yōu)化問題。在模擬域,優(yōu)化目標(biāo)為最大化所有用戶的等效信道增益之和,本文通過將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸問題,從而求得模擬域的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣;在數(shù)字域,本文采用塊對(duì)角化(BD,Block Diagonalization)算法以消除各用戶間的干擾。從仿真結(jié)果可以看出,本文所提算法在等效信道增益方面較現(xiàn)有算法有顯著提升,同時(shí)也改善了單徑信道下的系統(tǒng)頻譜效率。對(duì)于多載波多用戶系統(tǒng),本文研究了毫米波場(chǎng)景中總發(fā)射功率約束下的最大化最小信干噪比(SINR,Signal to Interference plus Noise Ratio)問題。本文對(duì)傳統(tǒng)的迭代式優(yōu)化方案進(jìn)行了改進(jìn),提出一種固定模擬域權(quán)重的兩級(jí)優(yōu)化方案,從而避免了模擬、數(shù)字預(yù)編碼矩陣之間復(fù)雜的迭代求解。本文基于IEEE 802.11ad信道模型對(duì)所提方案在視距場(chǎng)景下的性能進(jìn)行了評(píng)估,仿真結(jié)果顯示所提方案的性能接近、甚至高于傳統(tǒng)的迭代式方案。第三,本文以混合模擬與數(shù)字結(jié)構(gòu)的規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的實(shí)際部署為著眼點(diǎn),針對(duì)支持更高階調(diào)制方式的CQI表格設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。首先,本文提出一種面向未來的可擴(kuò)展式CQI表格設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的兩級(jí)反饋方案以支持更高階的調(diào)制方式。更進(jìn)一步,本文提出了一種自適應(yīng)的窗口索引更新方案以降低反饋開銷。通過數(shù)值仿真表明,所提方案較3GPPRelease-12中的固定大小的CQI表格設(shè)計(jì)方案而言,明顯改善了小區(qū)邊緣用戶吞吐量,并且對(duì)于小區(qū)中心用戶的吞吐量也有些許提升。
【圖文】：

Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ｐｅｒｓｏｎａｌ邋Ａｒｅａ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ）卜８】。逡逑毫米波頻段范圍中以６０ＧＨｚ頻段最具吸引力，因?yàn)椋叮埃牵龋且粋�(gè)全球性的逡逑無牌照頻段。如圖１－３所示，多個(gè)國(guó)家在５５－６０ＧＨＺ內(nèi)都有著豐富的可用無牌照逡逑頻譜資源，例如歐洲、美國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞和中國(guó)等％１。同時(shí)，有逡逑關(guān)毫米波通信的相關(guān)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也逐漸發(fā)展起來，例如ＥＣＭＡ－３８７，，邋ＩＥＥＥ逡逑８０２．１５．３ｃ邋和邋ＩＥＥＥ邋８０２．１１邋ａｄ邋等。逡逑Ｉ邐１邐１邐１邐１邐１邐１邐１邐Ｉ邐１逡逑歐洲邋１５７邐；邐＾邐ｊ邋；邐￣６６ｌ逡逑美國(guó)、加拿大＾邐；邐￣６４逡逑邐邋；邋１邋１逡逑曰本邐５９邋Ｉ邋＇邐丨邋丨邋丨６６逡逑！邋！邋｜邋邐！邐�。撸哌姡�！逡逑澳大利亞邐５９？４邐６２．９邋：逡逑Ｉ邐￣：邐：邐邐邋Ｉ邐！逡逑中國(guó)邐１５９邐＇邐６４逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐ｉ邐ｉ邐Ｉ逡逑５７邐５８邐５９邐６０邐６１邐６２邐６３邐６４邐６５邐６６逡逑頻率（ＧＨｚ）逡逑圖１－３全球各國(guó)在６０ＧＨｚ頻段的可用頻譜示意圖逡逑然而，６０ＧＨｚ系統(tǒng)也面對(duì)著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中最為關(guān)鍵的一點(diǎn)就是超高的逡逑路徑損耗。６０ＧＨｚ無線信道展現(xiàn)出２０ｄＢ至４０ｄＢ的自由空間路徑損耗，并且根逡逑據(jù)不同的大氣狀況，大氣吸收損耗高達(dá)１５ｄＢ至３０ｄＢ每公里的衰落［５８］。除此之逡逑夕卜，毫米波環(huán)境下的多徑效應(yīng)也大幅的減弱，這使得非視距通信變得非常困難。逡逑更重要的是，毫米波的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)也面臨著新的挑戰(zhàn)，例如相位噪聲的增加，放逡逑大器增益的限制以及電路元件的傳輸線建模等�？偟膩碚f

混合預(yù)編碼與波束賦形算法設(shè)計(jì)，信道估計(jì)等方面。在現(xiàn)有的混合模擬與數(shù)逡逑字規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的研究中，主要有兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注與逡逑認(rèn)可［２９］，如圖１－２所示。第一種結(jié)構(gòu)稱為全連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下每個(gè)射頻鏈路與逡逑全部的天線相連接，此時(shí)，所有射頻鏈路的輸出在傳送至對(duì)應(yīng)的天線之前，都需逡逑要經(jīng)過一個(gè)加法器對(duì)信號(hào)求和［３Ｑ１。這種結(jié)構(gòu)下每條射頻鏈路都可以獲得全部的逡逑天線陣列增益，其劣勢(shì)在于：系統(tǒng)的開銷與復(fù)雜度相對(duì)較高。第二種結(jié)構(gòu)稱為部逡逑分連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下每條射頻鏈路僅僅與一個(gè)包含Ｍ根天線的子陣相連接，這逡逑種結(jié)構(gòu)更利于實(shí)際場(chǎng)景下基站的天線部署，例如，每個(gè)射頻鏈路可以與一列天線逡逑相連接。與全連接結(jié)構(gòu)相比，部分連接結(jié)構(gòu)下每射頻鏈路的天線陣列增益要相對(duì)逡逑較低，僅為全連接結(jié)構(gòu)的１／隊(duì)，其中／Ｖｔ表示總的射頻鏈路數(shù)目。在部分連接結(jié)構(gòu)逡逑的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［４５］提出了兩種更為具體的天線連接方式，如圖１－４所示，第一逡逑種稱為交錯(cuò)式陣列
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN820

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本文編號(hào)：2615109