基於空域相關矩陣反饋的 Massive MIMO 雙級預編碼研究

《基於空域相關矩陣反饋的 Massive MIMO 雙級預編碼研究》是依託北京交通大學，由劉寅生擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於空域相關矩陣反饋的 Massive MIMO 雙級預編碼研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉寅生
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

作為未來移動通信系統的關鍵技術，Massive MIMO可以通過布置大量天線顯著提升移動通信系統性能。然而，天線數的大幅增加使傳統單級預編碼技術不再適用於Massive MIMO系統。國內外文獻提出了基於信道空域相關特性的雙級預編碼技術，將傳統單級預編碼分解成一級預編碼和二級預編碼，以實現高效的Massive MIMO預編碼。一級預編碼“看到”的等效信道尺寸較小，可以直接使用傳統預編碼技術；二級預編碼取決於信道空域相關矩陣。由於基站側的信道空域相關矩陣一般是未知的，本課題借鑑有限反饋思路提出了信道空域相關矩陣的“估計、量化和反饋”方案：移動台首先利用接收信號估計基站側信道空域相關矩陣，然後對相關矩陣估值量化並將量化結果反饋給基站，基站利用得到的相關矩陣信息構造二級預編碼矩陣。隨著反饋比特數增加，本課題方案將逐漸逼近最優二級預編碼矩陣，為二級預編碼器的最優設計提供可靠的理論支撐。

結題摘要

隨著當前社會從信息化向智慧型化發展，人們對移動通信系統提出了更高的要求，第五代移動通信（5G）成為了未來智慧型社會的基礎。作為5G物理層關鍵技術，Massive MIMO在國內外得到了廣泛的研究和關注。相比於傳統移動通信系統，Massive MIMO通過在基站一側部署大量天線陣元可以顯著提高無線鏈路的信噪比，從而提高無線系統容量、改善誤碼性能。當天線數較大時，傳統的信道估計與上行反饋技術無法直接套用於Massive MIMO系統，因此國內外研究中普遍採用了基於信道空域相關特性的雙級預編碼技術，將傳統單級預編碼分解成一級預編碼和二級預編碼。一級預編碼在小維等效信道的基礎上直接使用傳統預編碼技術；二級預編碼將大維物理信道轉化為小維等效信道，它取決於信道空域相關矩陣。由於基站側的信道空域相關矩陣一般是未知的，本課題借鑑有限反饋思路開展了信道空域相關矩陣的“估計、量化和反饋”方案的研究：移動台首先利用接收信號估計基站側信道空域相關矩陣，然後對相關矩陣估值量化並將量化結果反饋給基站，基站利用得到的相關矩陣信息構造二級預編碼矩陣。通過對空域信道相關矩陣“估計、量化和反饋”方案研究，本課題發現，當天線數較大時，對協方差矩陣的量化可以轉化成對空域角度譜的量化。由於空域角度譜可以看成是泛函空間中的一個點，因此對角度譜量化的問題進一步變成了泛函空間量化問題。本課題將泛函空間量化問題轉換為Grassmannian line packing問題，成功解決了空域協方差矩陣量化碼本設計的問題。在此基礎上所提出的二級承編碼器，可以看成是採用了Discrete Prolate Sequence序列進行調製後的波束形成器，可以獲得優於傳統DFT波束形成的帶外泄露性能。仿真結果表明，在64天線16用戶的場景中，所提出二級預編碼器較DFT波束形成器可以獲得3dB的性能改善。目前5G系統仍然採用的是只對相位進行調整的DFT碼本，本項目研究結果表明，採用幅度、相位聯合設計的碼本可以獲得優於DFT碼本的性能，因此對於未來5G系統技術演進具有重要的參考價值。