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FDD多用户大规模MIMO系统信道状态信息获取与反馈技术的研究

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 MIMO技术与大规模MIMO技术

1.3 TDD与FDD模式

1.4 论文组织结构

1.5 数学符号说明

2.1 引言

2.2 信道状态信息

2.2.1 CSI的获取

2.2.2 CSIT种类划分

2.3 预编码技术

2.3.1 基于理想CSIT的预编码技术

2.3.2 基于非理想的CSIT的预编码技术

2.4 性能仿真与结果分析

2.4.1 基于理想CSIT的预编码技术仿真

2.4.2 基于非理想CSIT的预编码技术仿真

2.5 本章小结

第三章 基于非相关网格编码量化的大规模MIMO有限反馈算法

3.1 引言

3.2 网格编码量化

3.3 非相关网格编码

3.3.1 系统模型

3.3.2 非相关网格编码量化

3.3.3 CSIT的非相关网格编码量化

3.3.4 反馈量及复杂度分析

3.4 基于信道时空相关性的改进方法

3.4.1 时间相关信道下的改进算法

3.4.2 空间相关信道下的改进算法

3.5 性能仿真与结果分析

3.5.1 独立同分布瑞利衰落信道下算法仿真分析

3.5.2 时间相关信道下算法仿真分析

3.5.3 空间相关信道下算法仿真分析

3.6 本章小结

第四章 基于联合空分复用的大规模MIMO有限反馈算法

4.1 引言

4.1.1 系统模型

4.1.2 联合空分复用

4.2 两级预编码技术

4.2.1 联合分组处理JGP

4.2.2 单组处理PGP

4.2.3 总体流程分析

4.3 性能仿真与结果分析

4.3.1 给定分组场景下JSDM方法的仿真

4.3.2 基于K-Medoids用户分组改进的JSDM方法的仿真

4.4 本章小结

5.1 引言

5.2 压缩感知理论

5.2.1 稀疏表示

5.2.2 测量矩阵

5.2.3 信号的重构

5.3 大规模MIMO系统信道的稀疏特性

5.4 联合信道估计及反馈算法

5.4.1 系统模型

5.4.2 联合匹配追踪算法

5.5 基于多衰落块内共稀疏性的改进算法

5.6 性能仿真与结果分析

5.6.1 J-OMP算法仿真与分析

5.6.2 CSMFB-J-OMP改进算法仿真与分析

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

大规模MIMO技术可以极大提升频谱效率和系统容量,已经成为第五代移动通信系统(5G)的核心技术之一。大规模MIMO系统下行链路中,在获知信道状态信息(CSI)的基础上,预编码技术可以有效消除用户间干扰,提升系统性能。对于频分双工(FDD)大规模MIMO系统,CSI的获取会占用大量的时频资源。本文围绕FDD模式下多用户大规模MIMO系统的信道状态信息获取及反馈问题展开研究,重点关注非相关网格编码量化(NTCQ)算法、联合空分复用(JSDM)方案以及基于压缩感知思想的联合正交匹配追踪(J-OMP)技术。
  首先,本文对大规模MIMO系统预编码技术进行了总结。简述了CSI的获取方法,并指出FDD模式下CSIT获取存在的问题;对大规模MIMO系统中常见的基于理想CSIT预编码技术和基于非理想CSIT的有限反馈技术进行了仿真和分析。
  而后,本文对不同信道条件下的NTCQ算法进行了分析和实现。给出了瑞利衰落信道下NTCQ算法的系统模型和量化过程;对于时间相关信道下Diff-NTCQ算法进行了实现;针对空间相关信道场景下提出了Space-NTCQ改进算法;并对上述算法进行了仿真分析。仿真结果表明,NTCQ、Diff-NTCQ及Space-NTCQ算法可以有效的降低最优码字的搜索复杂度和CSI反馈开销,且对于不同的天线数目具有较好的灵活性和可扩展性。
  之后,本文分析了JSDM传输方案在不同用户分组场景下的处理过程。介绍了理想用户分组时,单环模型中JSDM方案的系统模型和设计过程。针对非理想用户分组场景,提出了基于K-Medoids用户分组的JSDM改进算法。对JSDM及其改进算法系统性能和参数优化进行了仿真分析。仿真结果表明,PGP-JSDM传输方案能够有效降低基站端获取CSIT时的反馈开销,基于K-Medoids用户分组的JSDM改进算法能自适应的实现用户分组。
  最后,本文对基于压缩感知的CSIT的估计和反馈算法进行了研究。重点对单用户内及多用户间的角度域信道联合稀疏特性进行了分析。同时基于多衰落块内的共稀疏特性,提出了CSMFB-J-OMP改进算法,该算法分为自适应稀疏特性获取和信道状态信息追踪两个阶段。对J-OMP及CSMFB-J-OMP算法进行了仿真分析。仿真结果表明,J-OMP算法具有良好的NMSE性能,CSMFB-J-OMP改进算法在保持较好的NMSE性能的同时能有效降低导频训练及反馈开销。

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