【摘要】：隨著便攜式移動終端的大規(guī)模普及和互聯(lián)網數據流量爆炸式的增長,用戶對于高數據速率和高質量無線通信網絡的需求日益增高。多輸入多輸出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技術作為新一代無線傳輸技術,可以成倍的提升頻譜效率和鏈路質量。近年來,MIMO相關理論研究成果表明,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)的數據速率和可靠性可以得到進一步提升。因此,為了滿足用戶不斷增長的數據速率需求,大規(guī)模MIMO技術,即使用大規(guī)模天線陣列的MIMO技術,在未來通信系統(tǒng)中將具有非常廣闊的應用前景�？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字的系統(tǒng)結構。在這種結構下,傳統(tǒng)的全數字預編碼被拆分成數字預編碼與模擬預編碼兩部分,通過這種拆分處理,系統(tǒng)所需的射頻鏈路數目得以大幅降低。本文深入研究基于混合模擬與數字結構的規(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)提出了不同的預編碼方案。除此之外,本文還從混合模擬與數字結構的規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的實際部署的角度出發(fā),著眼于解決引入更高階調制方式后的信道質量指示(CQI,Channel Quality Indicator)表格設計以及反饋問題。本文的主要創(chuàng)新點包括:第一,針對單用戶混合模擬與數字結構的規(guī)模天線陣列系統(tǒng),本文首先分析了基于部分連接結構系統(tǒng)與基于全連接結構系統(tǒng)在預編碼方案設計思路上的不同,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的混合預編碼優(yōu)化方案。最后,本文推導出了所提方案可達速率上界的閉式表達。第二,針對多用戶混合模擬與數字結構的規(guī)模天線陣列系統(tǒng),本文對單載波系統(tǒng)和多載波系統(tǒng)兩種情況分別提出了相應的混合預編碼優(yōu)化方案。對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)化問題轉化為凸問題,從而求得模擬域的最優(yōu)預編碼矩陣;在數字域,本文采用塊對角化(BD,Block Diagonalization)算法以消除各用戶間的干擾。從仿真結果可以看出,本文所提算法在等效信道增益方面較現有算法有顯著提升,同時也改善了單徑信道下的系統(tǒng)頻譜效率。對于多載波多用戶系統(tǒng),本文研究了毫米波場景中總發(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。本文對傳統(tǒng)的迭代式優(yōu)化方案進行了改進,提出一種固定模擬域權重的兩級優(yōu)化方案,從而避免了模擬、數字預編碼矩陣之間復雜的迭代求解。本文基于IEEE 802.11ad信道模型對所提方案在視距場景下的性能進行了評估,仿真結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字結構的規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的實際部署為著眼點,針對支持更高階調制方式的CQI表格設計問題進行了研究。首先,本文提出一種面向未來的可擴展式CQI表格設計方法與相應的兩級反饋方案以支持更高階的調制方式。更進一步,本文提出了一種自適應的窗口索引更新方案以降低反饋開銷。通過數值仿真表明,所提方案較3GPPRelease-12中的固定大小的CQI表格設計方案而言,明顯改善了小區(qū)邊緣用戶吞吐量,并且對于小區(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，因為６０ＧＨｚ是一個全球性的逡逑無牌照頻段。如圖１－３所示，多個國家在５５－６０ＧＨＺ內都有著豐富的可用無牌照逡逑頻譜資源，例如歐洲、美國、加拿大、日本、澳大利亞和中國等％１。同時，有逡逑關毫米波通信的相關的產業(yè)標準也逐漸發(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、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全球各國在６０ＧＨｚ頻段的可用頻譜示意圖逡逑然而，６０ＧＨｚ系統(tǒng)也面對著嚴峻的挑戰(zhàn)，其中最為關鍵的一點就是超高的逡逑路徑損耗。６０ＧＨｚ無線信道展現出２０ｄＢ至４０ｄＢ的自由空間路徑損耗，并且根逡逑據不同的大氣狀況，大氣吸收損耗高達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)機設計也面臨著新的挑戰(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

混合預編碼與波束賦形算法設計，信道估計等方面。在現有的混合模擬與數逡逑字規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的研究中，主要有兩種系統(tǒng)結構得到了學術界的廣泛關注與逡逑認可［２９］，如圖１－２所示。第一種結構稱為全連接結構，該結構下每個射頻鏈路與逡逑全部的天線相連接，此時，所有射頻鏈路的輸出在傳送至對應的天線之前，都需逡逑要經過一個加法器對信號求和［３Ｑ１。這種結構下每條射頻鏈路都可以獲得全部的逡逑天線陣列增益，其劣勢在于：系統(tǒng)的開銷與復雜度相對較高。第二種結構稱為部逡逑分連接結構，該結構下每條射頻鏈路僅僅與一個包含Ｍ根天線的子陣相連接，這逡逑種結構更利于實際場景下基站的天線部署，例如，每個射頻鏈路可以與一列天線逡逑相連接。與全連接結構相比，部分連接結構下每射頻鏈路的天線陣列增益要相對逡逑較低，僅為全連接結構的１／隊，其中／Ｖｔ表示總的射頻鏈路數目。在部分連接結構逡逑的基礎上，文獻［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式陣列
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN820

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本文編號：2615109