【摘要】：飛速增長的信息獲取和信息交互的需求是驅(qū)動移動通信技術(shù)不斷發(fā)展的核心動力。新一代移動通信系統(tǒng)對信息傳輸?shù)乃俾�、時延、可靠性等各方面都提出了更高的要求。其中,大規(guī)模多輸入多輸出(Large-scale MIMO或者稱Massive MIMO)已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。在發(fā)送端配置數(shù)量非常大的天線,可以顯著增強空間分辨率,極大提高系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,時分雙工(Time Division Duplexing, TDD)將成為主要的通信方式。利用信道互易性,基站(Base Station, BS)端可以根據(jù)估計得到的上行信道的信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)來進行下行聯(lián)合預(yù)編碼的設(shè)計,在同-時頻資源上服務(wù)多個用戶(User Equipment, UE)。同時,下行只需發(fā)送預(yù)編碼導(dǎo)頻,用于UE的信道估計,上行與下行的導(dǎo)頻數(shù)均只與UE數(shù)成比例,系統(tǒng)開銷大大降低。然而,在實際通信中,完整的通信信道不僅包括空中的無線信道,還包括發(fā)送機和接收機的射頻(Radio Frequency, RF)電路,而RF增益的失配破壞了通信信道的互易性。因此,在TDD系統(tǒng)中,采用下行預(yù)編碼技術(shù)時,必須要對RF增益進行補償,即進行互易性校準(zhǔn)。本論文對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道信息獲取理論與方法進行深入分析,重點研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)互易性校準(zhǔn)問題,提出性能較好、可行性較強的互易性校準(zhǔn)算法,保證了TDD模式下完整通信信道的互易性。首先,分析大規(guī)模MIMO系統(tǒng)RF失配時的系統(tǒng)性能。根據(jù)RF增益的信道模型,分別針對迫零(Zero Forcing, ZF)預(yù)編碼和最大比發(fā)送(Maximal Ratio Transmit, MRT)預(yù)編碼,推導(dǎo)出RF增益失配時系統(tǒng)遍歷和速率的閉合表達式,分析影響系統(tǒng)性能的參數(shù)。結(jié)果表明,對于UE端的RF增益,相位失配對系統(tǒng)性能沒有影響,而幅度失配對系統(tǒng)性能的影響也非常小,可以忽略。同時,BS端的RF增益失配是造成系統(tǒng)性能下降的主要原因。無論是相位失配還是幅度失配都會造成系統(tǒng)遍歷和速率的大大降低。因此,必須要對BS端的RF增益進行補償。進一步發(fā)現(xiàn),通過完美部分校準(zhǔn),可以消除BS端RF失配對系統(tǒng)性能所造成的影響。其次,研究集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)互耦校準(zhǔn)算法。分別針對ZF預(yù)編碼和MRT預(yù)編碼,提出相應(yīng)的互耦校準(zhǔn)算法。校準(zhǔn)過程既沒有引入額外的硬件校準(zhǔn)電路,也無需用戶的參與,而是利用相鄰天線間的強互耦效應(yīng)來進行校準(zhǔn)系數(shù)的計算。對校準(zhǔn)誤差進行建模,分析了校準(zhǔn)算法的性能和復(fù)雜度,給出了校準(zhǔn)后系統(tǒng)遍歷和速率的表達式。在校準(zhǔn)之后,僅基站端RF增益幅度失配會引起系統(tǒng)和速率的略微降低,相位失配對系統(tǒng)性能沒有影響。仿真實驗對校準(zhǔn)算法進行驗證,發(fā)現(xiàn)將ZF預(yù)編碼校準(zhǔn)系數(shù)應(yīng)用于MRT預(yù)編碼會造成系統(tǒng)性能下降,于是提出適用于MRT預(yù)編碼的校準(zhǔn)算法。與基于最小二乘(Least Square, LS)校準(zhǔn)框架的算法相比,互耦校準(zhǔn)算法大大降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度,較好的獲得了復(fù)雜度和性能的折中。再次,研究分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)迭代坐標(biāo)下降校準(zhǔn)算法。首先,考慮當(dāng)接入節(jié)點(Access Point, AP)端和UE端都是單天線時,證明部分校準(zhǔn)的LS算法,與全端校準(zhǔn)的總體最小二乘(Total Least Square, TLS)算法應(yīng)用于部分校準(zhǔn)情況時的等價性。進一步提出一種迭代坐標(biāo)下降(Iterative Coordinate Descent, ICD)部分校準(zhǔn)算法,性能幾乎與LS算法相同,且遠優(yōu)于Argos算法,并大大降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度。而當(dāng)AP端和UE端均配置多根天線時,系統(tǒng)采用塊對角化(BlockDiagonalization, BD)預(yù)編碼。分析得出,在AP端完美部分校準(zhǔn)的情況下,由于UE端RF失配,系統(tǒng)仍存在流間干擾。推導(dǎo)出TLS算法的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表達式,并進一步提出一種ICD全端校準(zhǔn)算法。在基本達到了TLS算法的性能的情況下,ICD算法收斂速度快,避免了TLS算法較大的復(fù)雜度。最后,研究分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于部分校準(zhǔn)算法的信號傳輸方法。當(dāng)AP端和UE端均配置多根天線時,AP端采用一種低復(fù)雜度的BD預(yù)編碼進行下行信號的發(fā)送。為了避免全端校準(zhǔn)算法巨大的復(fù)雜度和資源開銷,設(shè)計基于部分校準(zhǔn)的上下行信號聯(lián)合傳輸方案。在下行傳輸時,UE端通過最小均方誤差(Minimum Mean Square Error, MMSE)接收機就可以消除數(shù)據(jù)的流間干擾。而在上行傳輸時,AP端只需要使用簡單的最大比合并(Maximal Ratio Combining, MRC)接收機就可以分辨出每個UE發(fā)送的數(shù)據(jù)流。此外,AP端只需要對干擾抑制矩陣計算一次,就可以同時在下行和上行的信號傳輸中使用,有效地降低了系統(tǒng)的計算開銷,獲得更高的性能。同時,針對分布式天線系統(tǒng)中接入節(jié)點天線之間校準(zhǔn)信道變化較快的問題,提出了分集合并LS算法,獲得分集增益來提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。
【圖文】：

ｔｉｏｎＳｙｓ化ｍ）誕生ｙ？來，基本上每過］0年就會產(chǎn)生一代標(biāo)志性的技術(shù)革新，經(jīng)過３０多逡逑年的演變和發(fā)展，實現(xiàn)系統(tǒng)容量的成倍提升，也催生出豐富多樣的新型業(yè)務(wù)。移動通逡逑信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進如圖１．１所示。第一代移動通信系統(tǒng)Ｗ頻分多址（ＦＤＭＡ，邋Ｆｒｅｑｕｅｎ巧逡逑ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）技術(shù)為標(biāo)志，根據(jù)貝爾實驗室提出的蜂窩小區(qū)概念，主要進斤逡逑基于模擬信號傳輸?shù)恼Z音業(yè)務(wù)。主要包括高級移動電話系統(tǒng)（ＡＭＰＳ，邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｍｏｂｉｌｅ逡逑Ｐｈｏｎｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ），全址接入通信系統(tǒng)（ＴＡＧＳ，邋Ｔｏｔａｌ邋Ａｃｃｅｓｓ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｙ化ｍ），邋Ｗ逡逑及北歐移動電話（ＮＭＴ，Ｎｏｒｄｉｃ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｔｅｌｅｐｈｏｎｙ）等等。盡管第一代移動通信系統(tǒng)在逡逑推出時商業(yè)表現(xiàn)很好，但是由于帶寬有限、無法提供數(shù)字業(yè)務(wù)、抗干擾能力差等技術(shù)上逡逑的不足，已經(jīng)漸漸不能滿足增長的需求。于是，隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字技術(shù)的蓬勃逡逑發(fā)展，基于時分多址（ＴＤＭＡ，邋Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ａｃｃｅｓｓ）技術(shù)的第二代移動通信逡逑系統(tǒng)（２Ｇ

接通等待時間更短，可到達更高質(zhì)量、更自然的語音視頻通話效果，移動通信系統(tǒng)將逡逑迎來全ＩＰ的時代。逡逑由圖１．１所示，移動通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的巨大改變，通信業(yè)務(wù)也逡逑從單一的語音業(yè)務(wù)過渡到高速寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占主導(dǎo)，用戶端的設(shè)備從簡單的移動電話逡逑到智慧終端的轉(zhuǎn)變，同時通信制式標(biāo)準(zhǔn)也越來越趨近于融合和統(tǒng)一。未來，隨著人類科逡逑技的不斷發(fā)展，將迎來第四次科技革命，是維蒸汽技術(shù)革命，電力技術(shù)革命，信息技術(shù)逡逑革命的又一次科技革命。這是Ｗ互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化，工業(yè)智能化，工業(yè)一體化為代表，Ｗ人逡逑工智能，清潔能源，，無人控制技術(shù)，量子信息技術(shù)為主的全新技術(shù)革命。而其中，移動逡逑通信領(lǐng)域也將面對更高的需求和更大的挑戰(zhàn)，迎來第五代移動通信系統(tǒng)更快更強的發(fā)逡逑展。逡逑１．２．２邋５Ｇ的需求與關(guān)鍵技術(shù)逡逑從ＩＧ到４Ｇ的發(fā)展路線可Ｗ看出，移動通信系統(tǒng)的每一次演進換代都是為了解逡逑決當(dāng)時最主要也是最急迫的通信需求Ｗ。目前
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN919.3

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本文編號：2569487