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3D MIMO系统相关信道中的关键技术的研究

3D MIMO系统相关信道中的关键技术的研究

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作者：张丹北京邮电大学

学位级别：硕士

3D MIMO(Three-dimensional Multi-input and Multi-output)技术凭借其自身具备的较高的系统吞吐量和频谱效率以及较低的小区干扰等特点会成为下一代(5G)通信系统中的重要组成部分之一。与传统的2D MIMO技术相比,3D MIMO技术通过利用垂... 详细信息

3D MIMO(Three-dimensional Multi-input and Multi-output)技术凭借其自身具备的较高的系统吞吐量和频谱效率以及较低的小区干扰等特点会成为下一代(5G)通信系统中的重要组成部分之一。与传统的2D MIMO技术相比,3D MIMO技术通过利用垂直维度的资源来为通信系统提供更快的数据传输速率,成倍地提升了系统的性能。在3D MIMO系统中,基站部署的天线会呈现垂直于水平面的面阵排布方式且阵元数量会大量增加,导致阵元间的相关性作用会逐渐突显出来,它会对于通信系统性能起到决定性的作用。此外,作为3D MIMO系统中的一个重要组成部分,信道估计技术为接收端的分集合并、相干检测等处理工作至关重要。因此,本文以3D MIMO技术为背景主要研究了以下两个方面的内容:首先,由于在3D MIMO系统中阵元间的相关性影响会逐渐加深,因此本文结合三维信道模型以及在三维信道模型下信道响应的表达式研究了天线阵列中阵元间的相关性推导得出在垂直于水平面的面阵天线阵列中两天线之间相关系数的表达式,该相关系数可以划分为水平方向和垂直方向两类,通过仿真对影响天线间相关性的因素进行了深入的探究并利用仿真得出的结论结合在信道估计方面存在的导频开销过大的问题提出了针对不同排布场景下的导频放置策略,通过仿真验证了提出的导频分配策略的有效性。其次,由于3D MIMO系统中存在着由于阵元数量的增加而导致基于导频的信道估计方法存在导频开销过大的问题,因此本文以此为切入点对3D MIMO系统的信道估计问题进行了深入的研究。首先对现有的针对3D MIMO系统的信道估计方法进行了分析并指出了现有方法中所存在的不足之处。然后针对这些不足之处并结合本文对天线相关性、导频放置策略以及面阵天线可分解等相关理论的研究,提出了基于天线相关性的信道估计方法并从导频样式、信道估计算法以及插值算法这几个重要的环节对本文提出的算法进行了详细的说明。最后通过仿真验证了本文提出的算法的性能并与现有的针对3D MIMO系统信道估计方法进行了性能上的对比。上述为本文的主要研究点和创新点,紧密围绕3D MIMO系统中的天线相关性和信道估计技术。3D MIMO技术凭借其自身存在的诸多优势正在逐步地引起学术界和业界内越来越多的关注,相信本文的研究成果能够为3D MIMO技术的研究和应用提供一定的理论参考。

关键词： 3D MIMO系统天线相关性导频分配策略信道估计

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Massive MIMO系统中减小导频污染影响问题研究

Massive MIMO系统中减小导频污染影响问题研究

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作者：程卿卿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

Massive MIMO(Massive Multi-Input Multi-Output,Massive MIMO)是近几年通信行业的热点话题,是在传统MIMO(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技术基础上扩展而来的一种新颖的无线通信技术。Massive MIMO通信系统可以获得传统MIMO通信系统的所有优势,并且将这些优势扩大十几倍甚至几十倍。值得注意的是,Massive MIMO系统发挥其优势的前提是系统能够获取准确的信道状态信息(channel statement information,CSI)。但是由于系统中导频污染的存在,使得现实通信系统中精确信道状态信息的获取变的非常困难,不准确的信道状态信息直接导致系统不能正常通信。如何减小导频污染对Massive MIMO系统性能的影响成为通信系统亟待解决的问题。本文这是在这种背景下针对如何减小导频污染对Massive MIMO系统影响的问题进行研究。下面详细介绍一下本论文的主要研究:本文首先分析了Massive MIMO系统和Massive MIMO系统中导频污染问题,为后文研究如何减小导频污染对系统的影响问题奠定背景知识。其次,分别从三个方面重点研究了减小导频污染对系统性能影响的方法:信道估计方法,矩阵预编码方案,导频分配策略。信道估计方面:针对传统信道估计方法复杂度高以及抵抗导频污染能力差的问题,分别提出了快速MMSE(Fast Minimum Mean Square Error,F-MMSE)估计算法和角域有限维的贝叶斯信道(Angle of Arrival Limited Bayesian,ALB)估计算法,并详细分析了这两种改进的估计算法的性能,两种算法分别大幅度较少了计算复杂度和提高了估计效果;矩阵预编码方面:针对传统的基于单小区矩阵预编码方案在设计预编码矩阵时不能充分考虑导频污染这一因素且方案的性能受导频污染严重的问题,本文提出了一种考虑导频污染影响的多小区的矩阵预编码方案:基于MMSE的多小区矩阵预编码(Minimum Mean Square Error Multi-cell Matrix Precoding,MMSE-MPC)方案,并在充分的理论分析和详细的理论推导的基础上,得到了MMSE-MPC的闭式解,有效减少了导频污染的影响;导频分配方面:提出了一种基于贝叶斯的导频分配策略(Bayesian Pilot Assignment,BPA),从而改善系统中导频分配的情况,进而减小导频污染对系统性能的影响。

关键词： Massive MIMO 导频污染信道估计方法矩阵预编码方案导频分配策略

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Massive MIMO系统下的信道估计算法研究

Massive MIMO系统下的信道估计算法研究

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作者：程相荣北京邮电大学

学位级别：硕士

Massive MIMO(Massive Multi-Input Multi-Output)技术凭借显著改善通信系统的容量和频谱利用率等优点,被公认为下一代移动通信系统(5th Generation,5G)的关键技术之一。Massive MIMO的这些优点基于准确的信道状态信息(Channel State In... 详细信息

Massive MIMO(Massive Multi-Input Multi-Output)技术凭借显著改善通信系统的容量和频谱利用率等优点,被公认为下一代移动通信系统(5th Generation,5G)的关键技术之一。Massive MIMO的这些优点基于准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI)的获取,因此本文对Massive MIMO通信系统中影响获取准确CSI的因素进行了研究。毫米波系统和非毫米波系统(蜂窝系统)中制约系统性能的因素不同,因此本文分别针对这两种通信系统进行了理论研究和分析。首先考虑的是多小区多用户蜂窝Massive MIMO系统(通信频率在6GHz以下)。在TDD模式下,由于多小区复用非正交的导频序列,引起导频污染,致使现实的通信系统无法获取精确的信道状态信息,成为制约通信系统性能的瓶颈之一。本文分别从导频分配、信道估计、预编码三个方向介绍了目前导频污染相关的研究成果,很多研究成果在理想的条件假设下,理论上可以完全消除导频污染带来的影响。但由于多小区多用户蜂窝Massive MIMO系统本身的复杂性,再加上算法本身的时间复杂度或者是空间复杂度过高,这些理论算法无法实际应用到Massive MIMO系统中。针对上述算法存在的问题,本文提出了一种基于匈牙利算法(Hungarian Algorithm)的导频分配策略,该方法简单易行,最后的仿真结果表明,对比传统的随机导频分配策略,可以为系统带来明显的性能增益。其次考虑的是单小区多用户毫米波Massive MIMO系统(30GHz以上)。在毫米波通信系统中,由于载波的高频段会导致信道的相干时间变短,与此同时,Massive MIMO系统中基站部署的大量天线意味着需要更多的导频开销和处理时间进行信道估计,系统有效数据传输效率变低。导频开销的问题在毫米波通信系统中更加突出。本文提出了一种基于交替方向乘子(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)算法的信道估计算法,该算法将毫米波信道的低秩特性考虑在内,把信道估计问题建模成核范数最小化问题,通过优化核范数,得到信道估计矩阵。最后通过仿真对比不同算法之间的性能,仿真结果表明,在保持信道误差一致的情况下,基于ADMM的信道估计算法需要的导频开销更少,对比同类的算法,该算法的时间复杂度更低。

关键词： Massive MIMO 导频污染导频分配策略匈牙利算法导频开销毫米波 ADMM 信道估计方法

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