發(fā)布時(shí)間：2020-09-22 12:06

　　 在即將商用化的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中,Massive MIMO技術(shù)作為其發(fā)展的核心動(dòng)力之一,使頻譜效率有了很大的提升,且由于發(fā)射端天線數(shù)目激增,傳輸波束的寬度漸漸變窄,也就使得不同波束之間的干擾開始明顯減少。雖然該技術(shù)帶來了性能上的優(yōu)勢,但對系統(tǒng)波束管理和控制的運(yùn)算性能卻提出了很高的要求,鑒于現(xiàn)有收發(fā)機(jī)的處理能力已經(jīng)無法承受這種大規(guī)模波束賦形帶來的計(jì)算負(fù)擔(dān),因此高性能、低復(fù)雜度的預(yù)編碼或檢測算法成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究了Massive MIMO系統(tǒng)下預(yù)編碼技術(shù)的信號處理問題,從機(jī)理上定位為兩部分:不同場景下預(yù)編碼算法的選取和預(yù)編碼過程中對角占優(yōu)矩陣的高性能求逆運(yùn)算。同時(shí),在保證系統(tǒng)性能不受影響的情況下,提出了一種近似性能最優(yōu)的預(yù)編碼方案,且最終以實(shí)際的毫米波5G信號源研發(fā)為目標(biāo),通過動(dòng)態(tài)鏈接庫與用戶界面相結(jié)合的軟件實(shí)現(xiàn)方式,驗(yàn)證了本文所提出預(yù)編碼方案的可行性與實(shí)用性,進(jìn)一步促進(jìn)了Massive MIMO中預(yù)編碼技術(shù)的發(fā)展。具體內(nèi)容如下:第一,預(yù)編碼問題的提出、理論分析驗(yàn)證和不同場景下的算法選取。首先,對Massive MIMO技術(shù)中的三種系統(tǒng)模型進(jìn)行理論分析,推導(dǎo)出各模型下系統(tǒng)容量的數(shù)學(xué)表達(dá)式;其次,以多用戶系統(tǒng)為基礎(chǔ),對常見的線性預(yù)編碼方案進(jìn)行研究,給出了不同方案中對應(yīng)預(yù)編碼矩陣和接收信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式;最后以誤比特率和系統(tǒng)容量為衡量標(biāo)準(zhǔn),對上述預(yù)編碼方案進(jìn)行性能評價(jià),理論與仿真分析相結(jié)合,得出不同應(yīng)用場景下,預(yù)編碼算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。第二,線性預(yù)編碼方案中高維矩陣求逆問題的研究。通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析,總結(jié)出預(yù)編碼過程中待求逆矩陣的特征,同時(shí)對常用的精確求逆與逆矩陣估計(jì)算法進(jìn)行性能評估,分析總結(jié)了這些方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)計(jì)算復(fù)雜度過高、硬件負(fù)載較大和無法保證精確度等不足。為解決現(xiàn)有的問題,本文提出了一種近似性能最優(yōu)的Neumann-Chebyshev聯(lián)合預(yù)編碼方案,這種聯(lián)用方式將Neumann級數(shù)展開具有的高收斂性與Chebyshev迭代提供的最優(yōu)搜索方向相結(jié)合,通過討論該方案的收斂性、適用性和計(jì)算復(fù)雜度,同時(shí)結(jié)合其性能仿真分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了本聯(lián)合方案可以在保證高收斂性的前提下,以更快的收斂速度獲得更優(yōu)的系統(tǒng)性能。第三,預(yù)編碼方案與逆矩陣估計(jì)算法的軟件實(shí)現(xiàn)。為了將上述研究內(nèi)容應(yīng)用于實(shí)際的毫米波5G信號源樣機(jī),將常見的線性預(yù)編碼方案和矩陣求逆算法進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)。通過使用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式對具體的軟件功能進(jìn)行了封裝,而對外只提供可以調(diào)用的函數(shù)接口,這樣,一方面保證各功能模塊并行開發(fā)的獨(dú)立性,另一方面降低代碼之間的相互耦合度,以此避免了與樣機(jī)總工程結(jié)合時(shí),由于參數(shù)改動(dòng)而引起的大面積程序改動(dòng)。同時(shí),利用Qt Creator進(jìn)行了軟件用戶界面的設(shè)計(jì)開發(fā),通過可視化界面操作不僅使實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和比對更加便捷,而且為信號源樣機(jī)階段性的功能測試奠定了基礎(chǔ)。本文通過理論與仿真相結(jié)合,首先得出了不同應(yīng)用場景下,現(xiàn)有預(yù)編碼方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)。接著提出了Neumann-Chebyshev聯(lián)合預(yù)編碼方案,在保證高收斂性和計(jì)算精度前提下,本方案以更快的收斂速度使得系統(tǒng)性能達(dá)到了近似最優(yōu)。最后完成了相應(yīng)預(yù)編碼方案與逆矩陣估計(jì)算法的軟件實(shí)現(xiàn),通過軟件計(jì)算結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)的誤差分析,驗(yàn)證了此軟件的實(shí)用性和可靠性。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5;TN919.31
【部分圖文】：

54（c）保存曲線圖像圖4.6 預(yù)編碼軟件效果圖在逆矩陣估計(jì)模塊中，首先選取相應(yīng)的逆矩陣估計(jì)算法，隨后將待求逆矩陣導(dǎo)入軟件，這里可以通過 Excel 表格或者 Matlab 變量兩種方式導(dǎo)入，經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算，最后將逆矩陣估算數(shù)據(jù)導(dǎo)入對應(yīng)的 Excel 文件。在此過程中，軟件本身會(huì)對輸入矩陣中最大、最小值進(jìn)行獲取，同時(shí)計(jì)算逆矩陣估算的時(shí)間，逆矩陣估計(jì)模塊的功能流程圖與軟件效果圖分別見圖 4.7 和圖 4.8。逆矩陣估計(jì)導(dǎo)入待求逆矩陣選擇求逆方式輸入矩陣的最值求逆運(yùn)算的時(shí)間得到逆矩陣計(jì)算相關(guān)參數(shù)導(dǎo)出逆矩陣數(shù)據(jù)計(jì)算/導(dǎo)出誤差矩陣導(dǎo)出相關(guān)文件圖4.7 逆矩

（a）選擇矩陣導(dǎo)入方式（b）逆矩陣數(shù)據(jù)導(dǎo)出圖4.8 軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)出效果圖4.4 軟件測試與數(shù)據(jù)比對4.4.1 逆矩陣估計(jì)性能比對通過將相同的高維（32 32）矩陣作為輸入，分別利用軟件和 Matlab 進(jìn)行計(jì)算，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行性能評估：1. 高維矩陣進(jìn)行逆矩陣估計(jì)的精度；2. 逆矩陣估計(jì)所用時(shí)間。其中，對于逆矩陣估計(jì)精度的評估，采用與 3.5.1 小節(jié)中相似的方式，即通過軟件計(jì)算得到的逆矩陣與 Matlab 相同算法得到的逆矩陣進(jìn)行作差，得到誤差矩陣，隨后對誤差矩陣的元素分布進(jìn)行分析。本 節(jié) 以 Neumann-Chebyshev 聯(lián) 合 算 法 、 Neumann 級 數(shù) 展 開 為 例 ， 設(shè)N K 256 32，展開階數(shù)均為 3 次。

逆矩陣運(yùn)算時(shí)間比對

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