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新一代移动通信对传输速率、端到端时延、连接数、密集覆盖、频谱利用率和能效等性能都提出了更高的要求。为了在有限的空时频资源下满足这些性能需求,新一代移动通信系统引入了多种能进一步挖掘频谱效率的高效无线传输技术。其中,在收发端配置大规模天线阵列的大规模MIMO技术能进一步挖掘空间维度资源,可以在单位时频资源上可使频谱效率较传统的通信系统再提升一个量级。然而,大规模MIMO通信技术在应用过程中仍面临诸多亟待解决的问题,如在频分双工制式下,大规模天线阵列在信道状态信息获取过程中,需要大量的导频和量化反馈开销会消耗更多的时频资源。此外,毫米波频段可以提供更为丰富的带宽资源,并且更短的毫米波波长使得在非常小区域内封装大规模天线阵列成为可能。因此,工作在毫米波频段的大规模MIMO技术,可以提供更多的频带资源。然而,不同于传统的低频段MIMO系统的传输特性和物理特性,大规模毫米波通信的全数字实现需要配置大量高成本射频链路器件,这导致更高昂的射频成本开销。此外,高频信号严重的路径损耗极大地增加了为满足覆盖要求的系统部署成本。针对以上问题,本论文进行了“大规模MIMO信道状态信息获取与传输方案优化设计”这一课题的研究,具体研究内容和主要贡献如下:1.针对大规模MIMO频分双工下行系统中降低信道状态信息获取需要的导频开销和反馈开销问题,利用大规模MIMO信道在波束空间的波束块联合稀疏特性,提出了可压缩的信道估计与反馈方案。利用用户信道的二阶统计特性,将具有相似信道特征向量的用户分为一组,其中,采用DFT矩阵实现组间用户导频复用并且将大规模空域MIMO信道转换为波束域信道。同时,由于部分用户共享了基站端有限的散射环境,组内用户在波束域呈现块结构的稀疏特性。利用这种波束域的稀疏特性并且所有用户将接收导频反馈给基站,基站利用提出的块正交匹配追踪算法联合估计所有用户的波束域信道。该方案能有效地降低信道状态信息获取需要的导频和反馈开销。为了进一步降低反馈开销,针对用户反馈的导频序列,利用导频序列间的稀疏特性,在用户端分别量化接收导频的幅度和相位信息,提出了有效的量化反馈算法来进一步降低反馈开销。仿真实验表明,所提方案能以远小于基站天线数目的导频开销而获得准确的信道估计性能。2.为实现低射频开销的毫米波大规模MIMO通信,提出了一种基于时延补偿的单载波数模混合预编码设计方案。在该方案中,利用毫米波信道的多径稀疏特性以及毫米波信号在传播过程中主要能量集中在直达径(line of sight path,Lo S)的特点,在基站端对所有用户与基站之间的Lo S路径实施时延预补偿操作。该操作将频率选择性信道转化为近似的平坦衰落信道。通过考虑时延补偿之后剩余的符号间干扰和用户间干扰,推导出信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)表达式。基于获得的SINR表达式,构建并解决基站端考虑有限射频单元条件下系统和速率最大的数模混合预编码设计问题。针对该非凸问题利用组稀疏优化方法,将原问题转化为联合码字选择与预编码优化设计并提出了基于二分法的组稀疏算法。仿真结果验证了所提方案的性能。3.为了降低毫米波大规模MIMO通信中射频单元开销问题,提出了基于透镜阵列构架的联合天线选择与波束成型方案设计。针对频率选择性信道下的多用户毫米波下行透镜阵列通信系统,利用透镜阵列的能量聚集特性以及毫米波信道的角度稀疏性,在基站端实施单载波路径时延预补偿技术。通过对基站与用户间所有最强路径做路径时延补偿,得到等效的近似平坦衰落信道。考虑近似平坦衰落信道中残留的码间干扰和用户间干扰,推导出SINR表达式。为了进一步抑制码间干扰和用户间干扰,基于获取的SINR表达式,构建并解决在基站端有限的射频开销条件下最大化最小SINR的联合天线选择与波束成型优化设计问题。利用稀疏优化理论将原非凸问题转化为组稀疏波束成型优化设计问题,并提出了稀疏优化算法求解该问题。仿真结果表明:所提方案相较于传统的OFDM传输模式具有更好的性能,且能够逼近全数字系统的性能。4.针对多子阵构架下毫米波MIMO通信系统中的射频单元开销问题,提出了联合子阵选择与预编码设计方案。利用毫米波信道的多径稀疏特性以及毫米波信号在传播过程中主要能量集中在Lo S路径的特点,在每一个与子阵相连的射频单元上实施时延预补偿来抑制单载波传输过程中的码间干扰。为了进一步抑制来自非Lo S路径产生的残留码间干扰以及多用户传输过程中的用户间干扰,在有限射频开销情况下以最大化最小SINR为目标,构建并解决联合子阵选择与预编码优化设计问题。针对该非凸问题中存在的非线性混合整数约束,利用稀疏诱导范数,将原非凸问题转化为稀疏预编码设计问题,并提出了基于二分法的凸优化算法来求解该问题。仿真结果验证了所提方案的性能。5.为了降低雾接入网络中的传输时延和小区部署成本,利用加强型远端射频单元的缓存和计算能力,提出的基于缓存的序贯传输设计方案。其中,按照用户请求的文件是否缓存在本地射频拉远头内,分别提出了两层(缓存层和网络层)传输方案设计。针对缓存层,在射频拉远头缓存容量和功率约束下,构建以最大化最小SINR为目标的接入链路预编码设计问题。而对于网络层,在功率、缓存容量、文件大小以及前程容量约束下,构建以最大化最小SINR为目标的联合前程与接入链路预编码设计问题。对于所构建的非凸问题,利用凸优化方法将原问题转化为凸的半正定规划问题并进行求解。仿真结果验证了所提方案的性能增益。