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基于码本增强的大规模3d mimo传输方案的设计与实现

基于码本增强的大规模3D MIMO传输方案的设计与实现

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作者：赵楷德南京邮电大学

学位级别：硕士

大规模三维多输入多输出（3 dimensional massive Multiple Input Multiple Output,3D Massive MIMO）技术通过在基站端部署大量天线,引入垂直角维度,大大提高了无线通信系统性能,已经成为5G通信中的关键技术。为了进一步提高系统容量,... 详细信息

大规模三维多输入多输出（3 dimensional massive Multiple Input Multiple Output,3D Massive MIMO）技术通过在基站端部署大量天线,引入垂直角维度,大大提高了无线通信系统性能,已经成为5G通信中的关键技术。为了进一步提高系统容量,降低系统复杂度,本文研究了Fdd系统下基于码本的有限反馈预编码方案,具体研究工作如下:第一,本文提出了基于有限反馈的大规模3d mimo系统两维混合预编码方案。当基站配备均匀面阵时,在信道垂直拓展角很小的情况下,多径Saleh Valenzuela毫米波信道可以近似Kronecker分解,使之分解为两个低维度信道矩阵的Kronecker积。在信道近似Kronecker分解的基础上,分别在水平、垂直维度进行反馈准则的设计,达到降低系统复杂度的目的。仿真结果表明:在信道的垂直角度拓展较低时,二维混合有限反馈预编码算法具有较好的系统性能和较低的运算复杂度。且当天线数增加时,低复杂度的优势更加明显。第二,本文考虑将嵌套天线阵列应用到无线通信系统。嵌套天线阵列是阵列信号处理中的概念,本文考虑将其引用在无线通信环境中。当大规模3d mimo系统采用二级线性嵌套阵列时,推导出其在多径Saleh Valenzuela毫米波信道下的信道模型。通过引入转换矩阵的概念,提出了一种新的有限反馈预编码系统结构。嵌套阵列产生的信道在转换矩阵的作用下可以转换成虚拟均匀阵列产生的信道,生成比其物理天线数目更多的虚拟天线元素。仿真结果表明:在配置相同数目的物理天线条件下,嵌套阵列在采用本文提出的有限反馈预编码方案下具有拥有远远优于均匀阵列大规模mimo系统的系统性能。

关键词： 5G 3D Massive MIMO 有限反馈码本设计嵌套阵列预编码

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面向5G的块稀疏信道估计技术研究

面向5G的块稀疏信道估计技术研究

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作者：郭箐南京邮电大学

学位级别：硕士

良好的信道估计技术能够有效提升massive mimo和三维(3d)massive mimo系统的频谱效率、能效等性能,是下一代5G通信系统的关键技术。massive mimo和3D Massive MIMO系统基站天线数目的成倍增长与信道维数的增加,使得系统需要插入更多的... 详细信息

良好的信道估计技术能够有效提升massive mimo和三维(3d)massive mimo系统的频谱效率、能效等性能,是下一代5G通信系统的关键技术。massive mimo和3D Massive MIMO系统基站天线数目的成倍增长与信道维数的增加,使得系统需要插入更多的导频进行信道估计,降低了系统的频谱资源利用率。如何在减少导频开销的同时提升系统的性能,是近年来信号处理的研究重点。压缩感知理论利用信号的稀疏特性随机地获取部分离散样本,在精确重建信号的同时极大地减少了导频开销,因此被广泛地应用于信道估计研究中。针对上述massive mimo和3D Massive MIMO系统,目前大多数稀疏信道估计从一维(1d)时延域和二维(2d)时-频域展开研究,少有文献考虑空间多维天线的角域块稀疏特性。针对这种潜在的信道结构信息,本论文提出一种有效的块稀疏算法,并应用于massive mimo和3D Massive MIMO系统的信道估计中,从而进一步提升系统的频谱效率和能效。主要工作如下:第一,提出了一种改进的块稀疏信道估计算法。首先指出了传统稀疏信道估计技术的不足,如导频开销大、信号重建精度低。接着深入挖掘无线通信系统的块稀疏特性,提出了一种改进的块稀疏信道估计算法。最后,通过仿真分析,证明了所提出算法能够在保证准确地重建信号的同时,减少测量数据的采集量,从而有效地减少信道估计的导频开销。第二,针对massive mimo系统,将改进的块稀疏信道估计算法应用于基站端大规模天线的场景。首先从空间相关性出发,充分讨论了massive mimo信道的块稀疏特性,分析了采用改进算法进行信道估计的系统性能。然后,考虑massive mimo系统在基站端天线配置均匀线性阵列(ULA,Uniform Linear Array)的情况,对单用户massive mimo系统信道估计进行仿真,仿真结果表明采用改进算法重构信号的误比特率更低,归一化最小均方误差(NMSE,Normalized Mean Square Error)更小,且非常接近原始信号。第三,针对3D Massive MIMO系统,引入基站端天线俯仰角作为影响因素,充分利用信道的空间自由度,通过建立的多用户系统模型及提出的新型导频插入方案,对该场景下的信道估计算法进行研究。首先从3d mimo系统的角域出发,结合大规模天线技术,构建时域-角域的3D Massive MIMO多用户系统模型。接着提出非正交的导频设计方案,在减少导频开销的同时,提升信道估计的准确性。最后,通过仿真证明,与传统稀疏信道估计算法相比,在信噪比一定的情况下,改进算法由于仰角的增益使得其所需的训练序列更少,频谱利用率更高。

关键词： 5G massive mimo 3D Massive MIMO 压缩感知块稀疏信道估计

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