利用统计信道状态信息的3D MIMO自适应传输

论文总字数：26769字

摘 要

采用多天线发送和多天线接收的MIMO（multiple-input-multiple-output）传输技术在过去的十年间一直是移动通信领域的主要研究点。而近年来，为使移动通信的频谱效率和功率效率进一步提高，大规模MIMO这一概念被提出。同传统MIMO相比，大规模MIMO在基站配备更大数目的天线，远远大于服务用户的天线数，因此具有更大的空间自由度。同时，随着基站天线数目增多，小尺度衰落、相关噪声、以及小区内用户间干扰的影响能够消除。然而，在实际中建立大规模MIMO系统面临一些挑战，其中之一就是基站中可以配备的天线个数受到基站尺寸和工作载波频率的限制，另一个就是FDD（Frequency Division Duplexing）系统下基于瞬时信道状态信息的下行传输会造成极大的反馈开销。为了克服这些困难，基于统计信道状态信息的3D(Three-dimensional) MIMO传输被提出。

本论文针对单小区3D MIMO下行传输系统研究了利用统计信道状态信息的多用户自适应传输方案，其中基站配备M×N维天线阵列，服务K个单天线用户。假设每个用户都可以获取准确的等效信道状态信息（CSI，channel state information），而基站只能得到每个用户的统计CSI。首先，在最大化平均信漏比（SLNR，signal-to-leakage-plus-noise ratio）下界的准则下，确定各用户最优波束成形向量。在此基础上，进一步得到令SLNR下界达到最大的用户调度准则：基站所调度的用户在垂直或水平方向应具有相互正交的主特征模式。此外，为获得更高的SLNR，基站应选择其信道能量主要集中在他们垂直与水平方向的主特征模式上的用户。基于此，得到一种利用统计CSI的3D波束成形空分多址传输算法。本论文通过仿真验证了不同分组方式下的系统和速率，同时与几种利用瞬时CSI的线性预编码方法进行了对比，验证了所研究的利用统计CSI的3D MIMO传输系统性能。

关键词：大规模MIMO；预编码；用户调度；3D MIMO

Abstract

The multiple-input multiple-output (MIMO) communication has been greatly developed and has become a hot topic in the past decade. In order to improve the spectral efficiency as well as energy efficiency, the concept massive MIMO has been brought up. Compared with traditional MIMO system, massive MIMO systems equip more antennas at BS (base station). Hence, the massive MIMO systems have more degree of freedom. Furthermore, when antennas at BS go large, small-scale-falling, correlated noise and interferences between users can be eliminated. However, building a massive MIMO system has many challenges. One of them is that the limitation of BS form makes antennas placement infeasible. The other is in FDD (Frequency Division Duplexing)system, if the BS only know the instantaneous channel state information (CSI),it can lead to a huge amount of feedback. To cope with these problems, 3D MIMO systems with the BS knowing statistical channel state information has been brought up.

This paper focused on a practical downlink transmission approach for single-cell full-dimension MIMO systems with massive antennas at the BS, under the assumption of only statistical channel state information at the BS. First, under the metric of maximizing a lower bound of the average SLNR (signal-to-leakage-plus-noise ratio), we obtain the optimal beamforming vector for each user. It is showed that the scheduler should select users whose strongest horizontal and vertical statistical eigenmodes capture most of their channels’ power. Based on these results, we studied a low-complexity 3-D beamforming SDMA transmission algorithm for large-scale FD-MIMO systems. At last, we learnt from the numerical results that with statistical CSI at the BS, the achievable sum rate performance of the proposed algorithm is comparable to that of the traditional ZF and MF algorithms with imperfect instantaneous CSI, while requiring much less feedback overhead for FDD systems and is of low complexity.

Key words: massive MIMO, precoding, scheduling, 3D MIMO

英文缩略语表

英文缩写 英文全称 中文释义

CSI Channel State Information 信道状态信息

CSIT Channel State Information at Transmitter 发送端的信道状态信息

FDD Frequency Division Duplexing 频分复用

JSDM Joint spatial division and multiplexing 联合空间分割复用

JGP Joint Group Processing 联合分组过程

MF Match Filter 匹配滤波

MIMO Multiple Input Multiple Output 多输入多输出

MU-MIMO Multi-User MIMO 多用户MIMO

PGP Per-Group Processing 单独分组过程

SDMA Space-Division Multiple-Access 空分多址

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio 信干噪比

SLNR Signal to Leakage Noise Ratio 信漏比

SNR Signal to Noise Ratio 信噪比

SU-MIMO Single-User MIMO 单用户MIMO

TDD Time Division Duplexing 时分复用

ZF Zero-Forcing 迫零

符号说明

符号类别 示例 说明

变量 斜体

矢量 小写加粗

矩阵 大写加粗

矩阵大小 A为M行N列矩阵

矩阵、矢量转置 ，

矩阵、矢量共轭转置 ，

共轭矩阵

矩阵的逆

矩阵的伪逆

数学期望

目录

摘要 I

Abstract III

英文缩略语表 V

符号说明 VII

目录 IX

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 2

1.3论文的主要工作 2

1.4论文的组织结构 3

第二章 利用瞬时信道信息的大规模MU-MIMO下行传输系统 4

2.1 引言 4

2.2 MU-MIMO下行传输系统 4

2.2.1 预编码技术 4

2.2.2 用户调度 5

2.3大规模MU-MIMO下行传输系统 6

第三章 利用统计信道信息的大规模MU-MIMO下行传输系统 8

3.1 引言 8

3.2利用统计信道信息的大规模MU-MIMO下行传输 8

3.2.1 联合空间分割技术 8

3.2.2 用户调度准则 9

第四章 利用统计信道信息的3D-MIMO下行传输 11

4.1引言 11

4.2系统模型 11

4.2.1信道模型 11

4.2.2信号模型 12

4.3 3D波束成形空分多址传输 13

4.3.13D 波束成形 13

4.3.2用户调度 14

4.3.3 3D波束成形空分多址传输 15

4.4 仿真结果 17

4.4.1仿真参数设置 17

4.4.2不同分簇方式下的遍历速率性能对比分析 17

4.4.3所提算法同线性预编码的性能对比分析 19

第五章 总结与展望 21

5.1 全文总结 21

5.2 未来研究方向 21

参考文献 22

致谢 24

1. 绪论

1.1研究背景

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