毫米波大规模MIMO系统中混合预编码技术的研究

作     者：陈千鸿 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹海燕

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：毫米波 大规模MIMO 混合预编码 频谱效率 交替优化 动态子阵列 

摘      要：第五代移动通信技术(5G)推动着无线通信行业的迅速发展,但无线网络用户的爆发式增加同无线通信系统中频率资源匮乏之间的矛盾日益突显。由于毫米波频段拥有大量尚未有效利用的无线资源,逐渐成为5G信号传播的重要媒介。而大规模多输入多输出(Multipleinput Multiple-output,MIMO)技术能提供足够的波束增益,来抵消毫米波信道中存在的十分严重的信道衰弱。所以,在5G中选择毫米波作为信号的主要载波,并且与大规模MIMO技术相结合,以保证无线通信系统的安全性和高效性。同时,作为大规模MIMO系统中必要的信号处理技术,混合预编码技术能实现无线通信系统中能效和谱效灵活的折衷。鉴于此,本文主要在部分连接架构下,对混合预编码技术开展研究。本文提出两种全新预编码方案,同时对所提方案实现系统的谱效、能效、实现复杂度以及鲁棒性等性能进行分析。其中具体研究内容如下:(1)针对现有基于部分连接混合预编码方案中系统性能较差的问题,提出了一种基于初值加速的交替优化算法。首先以最大化最优全数字预编码矩阵与混合预编码矩阵乘积的迹为目标,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的方法设计数字预编码矩阵,并且在交替优化的过程中完成对模拟预编码矩阵的优化更新。此外,还提出了一种以提高信道增益为目标式的启发式算法,通过该算法求解迭代的初始值作为交替优化的起点,有效减少了算法收敛太慢而陷入次优解的可能。由仿真结果可知,所提算法在几乎不增加复杂度的情况下,其频谱效率相较于其他部分连接预编码方案具有更好的表现。(2)为降低毫米波大规模MIMO系统中的硬件复杂度和能耗,先前的预编码工作大多都集中在固定的部分连接架构上,但模拟预编码器的对角线约束给系统带来了很大的性能损耗。针对此问题,提出一种动态子阵列架构以实现系统频谱效率和能量效率之间的权衡,并且设计相应的混合预编码算法。具体来说,将多变量联合优化问题解耦成简单的最大和速率优化问题,并提出了一种交替最小化算法计算模拟预编码矩阵,同时完成射频链上发射天线的有效分区。最后通过最小二乘法求解数字预编码矩阵。由仿真结果可知,所提方案的频谱效率在全连接结构与固定部分连接结构间取得很好的平衡且具有很高的能量效率,此外在信道信息较差的情况下能够保障系统性能,具有较强的鲁棒性。