毫米波大规模MIMO系统角度域混合预编码与信道跟踪算法

【摘要】：随着全球无线通信技术和互联网技术的蓬勃发展,移动用户数量呈现爆炸式增长,各种移动新业务不断涌现。未来的5G移动通信系统不仅需要支持语音功能,还必须支持数字、图像、多媒体等数据传输,在传输效率和覆盖范围等方面较4G提高一个或多个量级,满足10年内移动互联网流量增加1000倍的发展需求。毫米波频段(30–300GHz)具有丰富的频谱资源,毫米波与大规模MIMO相结合可以带来巨大的空间增益、能量效率和频谱效率,毫米波大规模MIMO成为了下一代移动通信的关键技术。毫米波大规模MIMO系统的性能取决于信道信息的准确度,信道信息获取是当前毫米波大规模MIMO研究的重点问题。在实际通信中,用户的持续运动使得大规模MIMO信道不断变化,且对于大规模阵列天线系统而言射频链路的数目往往是有限的,信道时变和射频链路有限给毫米波大规模MIMO的理论研究和实际应用带来了巨大的挑战。为此,本文基于毫米波大规模MIMO的信道特征,将信道信息表征为角度信息和增益信息,将信道跟踪可以转化为角度的跟踪和信道增益的估计,充分利用用户的运动规律和非线性无迹卡尔曼滤波实现信道跟踪。本文提出的信道跟踪方法有效利用用户的运动规律降低训练的复杂度和训练开销,为毫米波大规模MIMO信道跟踪提供了一种有效的方法。此外,对于通信系统而言,为了提升传输效率、降低功率损耗,在已知信道状态信息的情况下,通常在发送端对发送的信号做一个预先的处理,以方便接收机进行信号检测,即预编码。研究表明,对于毫米波大规模MIMO系统而言,传统简单的线性预编码(匹配滤波预编码、零陷波束形成预编码)的性能即可以达到非线性预编码(DPC)的性能。然而,这需要每个天线有自己独自的射频链路,包括ADC,DAC,混频器和功率放大器等,这对于大规模系统而言,系统成本高昂,无法适用。为降低系统成本,基于数字预编码和模拟预编码相结合的混合预编码引起了人们的广泛研究。关于混合预编码的研究主要有两个方向:基于优化理论的预编码矩阵设计方法和基于DFT离散格点方向传输的混合预编码方法。基于优化理论的方法计算复杂度较高,不易于在实际系统中应用;基于DFT离散格点方向传输的方法存在信道能量泄露的问题,系统性能差。在有限射频链路条件下,亟需一种低复杂度高性能的混合预编码方法。针对现有混合预编码技术中存在的问题,本文提出一种有限射频链路条件下基于角分多址的毫米波大规模MIMO系统混和预编码方法,充分利用用户的空间角度信息实现角分多址和混合预编码矩阵的设计,将信号传输至用户的真实角度方向上,避免了信道能量泄露对通信造成的影响,有效提高系统的频谱效率和能量效率。