以多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)为代表的空域复用已成为现代移动通信提升频谱效率最基本的物理层技术。在多用户MIMO系统中,下行吞吐量的提升依赖于利用信道状态信息(Channel State Information,CSI)的预编码优...
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以多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)为代表的空域复用已成为现代移动通信提升频谱效率最基本的物理层技术。在多用户MIMO系统中,下行吞吐量的提升依赖于利用信道状态信息(Channel State Information,CSI)的预编码优化设计。尽管现有的无线通信已有成熟的标准化预编码方案,在5G以及未来移动通信系统超大规模天线、超宽频段的趋势下,多用户MIMO线性预编码设计依然存在如下挑战:单根天线功率约束(Per-Antenna Power Constraints,PAPC)条件下,线性预编码优化问题缺少高效的求解算法;子载波数量较大时,各子载波独立进行窄带预编码的方案复杂度过高;以香农容量为优化目标的预编码在实际系统中存在速率损失。针对上述挑战,本文综合考虑频率选择性衰落信道、PAPC条件、自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding,AMC)机制等预编码设计中存在的制约因素,研究多用户MIMO下行链路的宽带线性预编码策略及其低复杂度实现算法。具体研究工作可以概括如下:1)在单根天线功率约束条件下,以最大化香农容量为目标,研究多用户MIMO下行链路的宽带预编码设计。首先,针对子载波数量较大时各子载波独立进行窄带预编码带来的高复杂度问题,提出宽带预编码策略,即资源块组(Resource Block Group,RBG)内的子载波共享同一个预编码器。之后,以香农容量为目标函数,分别设计最优宽带预编码方案和次优宽带预编码方案。最优宽带预编码方案的设计目标是求解PAPC 下的宽带加权和速率最大化(Weighted Sum Rate Maximization,WSRMax)预编码优化问题的稳定解。对此问题,本文提出两个迭代算法。第一个算法是在现有双环算法的基础上改进了每步迭代所涉及的子问题的求解方法。第二个算法是一个只包含单重循环结构的新算法,利用了 PAPC可行集的内在可分离性,每步迭代具有简单的闭式表达。次优宽带预编码方案则是通过将一个满足PAPC的低复杂度近优迫零(Zero Forcing,ZF)算法引入到宽带预编码设计中得到的,其在部分场景下能以较低的复杂度逼近最优宽带预编码方案的性能。2)在单根天线功率约束条件下,以最大化系统吞吐量为目标,研究多用户MIMO下行链路的宽带预编码设计。由于实际通信系统只能支持有限数量的调制和编码方案(Modulation and Coding Scheme,MCS),基于香农容量最大化准则的预编码应用到实际系统会造成频谱效率的损失。为解决这一问题,该项工作将移动通信系统的AMC机制纳入预编码问题建模,推导用户的实际吞吐量关于接收信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratios,SINRs)的表达形式,并以此为目标函数研究预编码优化设计。具体而言,首先提出一种基于GMI(Generalized Mutual Information)的有效SINR映射(Effective SINR Mapping,ESM)方法,用于多载波多数据流传输场景下用户误块率(Block Error Rate,BLER)函数的建模。在BLER函数的基础上,进一步结合AMC技术的原理,建立移动通信系统中一个用户的吞吐量与该用户所有子载波、所有数据流的SINR之间的函数关系。最后,以吞吐量函数为优化目标,建立宽带预编码优化问题并为其设计求解算法。3)针对基站配备均匀矩形天线阵列(Uniformly Rectangular Antenna Array,URA)的3D massive MIMO系统,研究满足PAPC的二维宽带预编码设计。该项工作研究利用3D MIMO信道的近似Kronecker积结构实现低复杂度的宽带预编码设计。首先,考虑俯仰域的角度扩展趋于零的情况,此时3D MIMO信道具有理想的Kronecker积结构。基于Kronecker积的混合乘积特性,提出将高维预编码矩阵分解为两个低维矩阵分量并分别用于完成干扰抑制和期望信号功率增强的二维宽带预编码方案。随后,给出两个矩阵分量各自的求解算法。与常规的预编码方案相比,二维预编码方案的计算开销由于优化变量维度的降低得以大幅缩减,对信道结构的有效利用则保障了此方案的频谱效率。其次,考虑俯仰域的角度扩展不容忽略的一般情景,借助多重Kronecker积近似,将所提的二维宽带预编码方案拓展至非理想Kronecker信道。同时,提出改进的干扰抑制矩阵分量的求解算法,减轻角度扩展对二维预编码性能的影响。
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