【摘要】：隨著近年來移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和用戶接入數(shù)量的爆炸性增長,大規(guī)模多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)的高頻譜效率和高能量效率優(yōu)勢已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍認(rèn)可,使得其成為第五代移動通信(5th Generation Mobile Communication,5G)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而,大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與部署仍存在一定的挑戰(zhàn),比如大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道反饋壓縮問題、信道非理想反饋的波束賦形問題,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中部分收發(fā)機(jī)的激活與協(xié)同波束賦形問題等。此外,大規(guī)模MIMO和非正交多址接入技術(shù)的融合也是一個值得研究的問題�；谝陨洗嬖诘膯栴},本文研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)壓縮反饋技術(shù),然后針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的CSI反饋不完美,研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的混合波束賦形和中斷概率約束下的高能量效率與高頻譜效率協(xié)同波束賦形,并研究和評估了實(shí)際信道估計(jì)下大規(guī)模MIMO非正交多址系統(tǒng)的下行性能。具體地,本文的主要研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下:首先,大規(guī)模MIMO的信道矩陣維度非常高,直接反饋測量接收到的信道信息將會占用大量的頻譜資源,導(dǎo)致系統(tǒng)的有效容量顯著下降。慶幸的是,現(xiàn)有研究表明大規(guī)模MIMO信道具有很強(qiáng)的相關(guān)性�；诟呔S強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)會落在維度很低的仿射包中這一預(yù)期的性質(zhì),論文首先提出了一種基于仿射集擬合(Affine Set Fitting,ASF)的方法來減少大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的CSI反饋開銷。并且,該算法的復(fù)雜度相比于二維離散余弦變換和卡洛南-洛伊變換基算法的復(fù)雜度要低,特別適用于用戶端接收機(jī)運(yùn)算能力有限的這一現(xiàn)實(shí)場景。另外,建議的ASF算法具有與經(jīng)典的主成分分析同樣的性能,并且具有噪聲抑制的能力。由于有限的信道壓縮反饋會造成一定的精度損失,同時CSI估計(jì)的非理想以及反饋存在時延,發(fā)射機(jī)側(cè)獲取每個用戶完美CSI信息是不現(xiàn)實(shí)的�；诖笠�(guī)模MIMO系統(tǒng)的CSI反饋非理想這一現(xiàn)實(shí)場景,研究了最小化CSI均方誤差混合波束賦形問題,通過將模擬域波束賦形矩陣和數(shù)字域波束賦形矩陣變量替換為一個全數(shù)字域波束賦形矩陣,接著應(yīng)用半正定松弛將原問題轉(zhuǎn)化為一個半正定規(guī)劃(Semidefinite Programming,SDP)問題,并提出了一種交替迭代魯棒性混合波束賦形算法以獲得最優(yōu)的全數(shù)字域波束賦形矩陣,最后根據(jù)兩階段迭代算法分別得到原問題的模擬域和數(shù)字域波束賦形矩陣。其次,在大規(guī)模MIMO異構(gòu)云無線接入網(wǎng)絡(luò)中,考慮不完美的CSI以及射頻拉遠(yuǎn)(Remote Radio Head,RRH)的回傳鏈路功率不可忽略,研究了聯(lián)合RRH激活與中斷概率受限的波束賦形設(shè)計(jì)問題。為了求解該問題,文章首先研究了給定激活RRH集合下的波束賦形設(shè)計(jì)問題,應(yīng)用Bernstein-type不等式來處理該問題中的中斷概率約束條件,將該轉(zhuǎn)化為一個SDP問題,從而可以利用凸優(yōu)化工具包求解。隨后,利用最優(yōu)波束賦形向量集合的組稀疏結(jié)構(gòu),構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的一個凸松弛來最小化關(guān)于波束賦形向量的加權(quán)組稀疏誘導(dǎo)范數(shù),同樣應(yīng)用Bernstein-type不等式來處理該問題中的中斷概率約束問題,將經(jīng)過凸松弛后的問題轉(zhuǎn)化為一個SDP問題并利用凸優(yōu)化工具包求解得到凸松弛后的最優(yōu)波束賦形矩陣,利用求解得到的最優(yōu)波束賦形矩陣和系統(tǒng)參數(shù)得到一個RRHs關(guān)閉的優(yōu)先級。最后,提出了一種基于二分法的RRH激活與協(xié)同波束賦形聯(lián)合優(yōu)化方案來獲得最小化網(wǎng)絡(luò)能耗的波束賦形矩陣。仿真結(jié)果表明,在低信噪比情景下,該算法可以將網(wǎng)絡(luò)功耗顯著降低28%。此外,該算法可以獲得接近窮舉搜索算法的性能,同時具有低得多的計(jì)算復(fù)雜度。最后,研究了大規(guī)模MIMO與非正交多址相結(jié)合的問題。分析了下行大規(guī)模MIMO與功率域非正交多址技術(shù)相結(jié)合的5G通信系統(tǒng)下行鏈路的理論增益,給出了采用加權(quán)最大和速率的功率分配方案在實(shí)際系統(tǒng)中不同場景下的增益。在此基礎(chǔ)上,我們提出了一種低復(fù)雜度、性能較好的功率域、頻域和空域的聯(lián)合編碼調(diào)制方案,不同用戶仍舊采用功率域區(qū)分,每個用戶的數(shù)據(jù)流在空域和頻域內(nèi)QO-SFBC聯(lián)合編碼,使得各個數(shù)據(jù)流具有相同的檢測分集度,以保證各個數(shù)據(jù)流具有相近的性能。此外,還提出了一種非理想干擾刪除下的各層數(shù)據(jù)流的編碼碼率的優(yōu)化準(zhǔn)則,并根據(jù)該準(zhǔn)則對每個用戶的各層數(shù)據(jù)流的編碼碼率進(jìn)行優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5
【圖文】：

以及低檢測復(fù)雜度優(yōu)勢，不僅進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的容量，還大大豐富了邋４Ｇ系統(tǒng)可的業(yè)務(wù)類型，同時也降低了終端的制造成本，并且更加成熟和廣泛的采用ＭＩＭＯ術(shù)使得系統(tǒng)的容量得到顯著提升。另外，４Ｇ系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)上也進(jìn)行了革新，用了扁平化的全ＩＰ網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，取消了第二代和第三代移動通信系統(tǒng)中的基站控器功能模塊，極大的降低了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，系統(tǒng)內(nèi)部的信令交互操作大大少，系統(tǒng)的時延明顯地降低。根據(jù)全球移動設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｓｕｐｐｌｉｅｒｓｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，邋ＧＳＡ）邋２０１８年最新發(fā)布的報告，截止到２０１８年４月，全球一共有２０４國家和地區(qū)部署了邋６７２張ＬＴＥ和ＬＴＥ－Ａ網(wǎng)絡(luò)，其中包括了邋５８個國家和地區(qū)部署１１１邋張邋ＴＤ－ＬＴＥ邋（Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ－Ｌｏｎｇ邋ＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）網(wǎng)絡(luò)，以及邋１１５邋個國家和地區(qū)署的２４１張ＬＴＥ－Ａ網(wǎng)絡(luò)，覆蓋用戶超過２０億［３］。我國也是持續(xù)加大投入信息基礎(chǔ)施建設(shè)，截止到目前僅中國移動的ＴＤ＿ＬＴＥ基站就有１９１萬個，用戶數(shù)達(dá)６．７億，規(guī)模和用戶數(shù)均居全球第一。得益于４Ｇ系統(tǒng)的高容量和低時延，移動電子商務(wù)戲娛樂、視頻直播這些產(chǎn)業(yè)近五年來得到快速發(fā)展。同時，一大批基于移動互

第一章緒論逡逑網(wǎng)的應(yīng)用迅速進(jìn)入我們的生活，如滴滴打車、共享單車、移動支付等給人們的生活逡逑帶來了極大的便利，并一定程度上改變了人們的生活方式。逡逑在移動互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的新形勢下，移動通信在商業(yè)、政務(wù)、民生和工業(yè)領(lǐng)域逡逑的應(yīng)用迅速推廣開來，目前我國己經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)購物、移動支付、共享經(jīng)濟(jì)等新業(yè)態(tài)上逡逑處于領(lǐng)先地位，政府也在全面推廣高效的互聯(lián)網(wǎng)政務(wù)系統(tǒng)，移動通信也在醫(yī)療、教逡逑育、公共交通等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如圖１－１顯示了未來移動通信更多的應(yīng)用場逡逑景。在工業(yè)領(lǐng)域，推動信息化與工業(yè)化深度融合成為實(shí)現(xiàn)中國制造２０２５強(qiáng)國戰(zhàn)略的逡逑關(guān)鍵組成部分，中國制造２０２５提出全面突破第五代移動通信（５ｔｈ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋Ｍｏｂｉｌｅ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，邋５Ｇ）技術(shù)，突破下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)和體系架構(gòu)，先進(jìn)的自主創(chuàng)新逡逑的信息技術(shù)和工業(yè)智能化的融合也迅速引起產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和國家層面的重視，信息逡逑技術(shù)已經(jīng)成為未來全球經(jīng)濟(jì)增長和社會發(fā)展的制高點(diǎn)，全球幾個主要制造強(qiáng)國均發(fā)逡逑布了以信息技術(shù)為核心之一的戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，如圖１－２。未來網(wǎng)絡(luò)中將會有大量多樣逡逑第四次工業(yè)革命＇逡逑

代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)，關(guān)系到“中國制造２０２５”發(fā)展戰(zhàn)略的成敗，工信部、發(fā)改委和科技部聯(lián)合推動成立了邋“ＩＭＴ－２０２０邋（５Ｇ）推進(jìn)組”進(jìn)５Ｇ技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)工作，并發(fā)布了《５Ｇ技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)總體方案》，確發(fā)的“兩步走”戰(zhàn)略：２０１５年至２０１８年，主要進(jìn)行核心技術(shù)研宄與原１８年至２０２０年，主要從事產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)。２０１４年１月，國家８６３計(jì)劃移動通信系統(tǒng)先期研宄重大項(xiàng)目。該項(xiàng)目一期課題的主要技術(shù)目標(biāo)包絡(luò)的應(yīng)用場景、系統(tǒng)架構(gòu)、無線傳輸、新型射頻等關(guān)鍵技術(shù)，完成性系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展無線傳輸技術(shù)試驗(yàn)。逡逑止到２０１５年６月，經(jīng)過ＩＴＵ和３ＧＰＰ兩大國際電信組織、多國政府、高及多家通信設(shè)備商的共同努力，ＩＭＴ－２０２０被命名為５Ｇ網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)規(guī)立了邋５Ｇ的八項(xiàng)關(guān)鍵能力，給出了未來５Ｇ的三大主要應(yīng)用場景［９］。如中八項(xiàng)關(guān)鍵能力包括：（１）用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)速率，即移動用戶在網(wǎng)絡(luò)覆地方，上網(wǎng)速率至少達(dá)１００Ｍｂｐｓ，在熱點(diǎn)地區(qū)可以達(dá)ｌＧｂｐｓ；邋（２）峰值用戶在理想情況下能獲得的最大上網(wǎng)速率，最高達(dá)２０Ｇｂｐｓ；邋（３）移動一ｏＳ，５００／

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 尤肖虎;潘志文;高西奇;曹淑敏;鄔賀銓;;5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J];中國科學(xué):信息科學(xué);2014年05期

2 王曉婷;王文博;范斌;;VMIMO系統(tǒng)基于MMSE-SIC接收機(jī)的配對調(diào)度策略[J];北京郵電大學(xué)學(xué)報;2008年05期

本文編號：2756372