基于有限反馈信道的大规模天线系统波束赋形技术研究

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大规模天线技术能在不增加系统发射功率和系统带宽的情况下,通过多用户波束赋形技术,同时服务于几十个用户,有效地提高通信系统能效和谱效。多用户波束赋形技术需要获取用户的瞬时信道信息才能计算各个用户的波束赋形向量,而在频发双工大规模天线系统中,获取这些信息需要很高的导频开销,而且反馈开销也会很大。所幸,我们可以利大规模天线阵列的空间相关性进行波束赋形来降低对信道信息的依赖,但是这种赋形技术的性能有限。因此,本文主要研究在信道信息有限反馈的大规模天线系统中的波束赋形技术。在第二章中,我们分析并仿真评估了大规模天线阵列与其空间相关性之间的关系,说明了在大规模天线系统中可以利用空间相关性进行波束赋形的原因。然而,这种波束赋形技术的性能有限,无法充分发挥大规模天线技术的优势。在第三章中,我们对基于空间相关性的波束赋形技术进行了改进,提出了一种新的利用空间相关性和信号泄露的波束赋形方法。在该方法中,我们选取部分天线发送导频符号,在接收端获取到这部分天线的信息后进行信道估计并反馈给基站,基站利用这些信息计算得到一个转换矩阵,用这个转换矩阵对基于空间相关性波束赋形的赋形矩阵做变换,从而达到提高系统性能的目的。在这个过程中,我们以一定量的导频符号及信息反馈开销为代价,换取系统性能的提升,开销越大,性能提升越多。根据理想反馈下的仿真评估,在本文的仿真条件下,当天线选择比例为25%、33%和50%时,新型赋形技术的性能增益相比于基于空间相关性分别约为3dB、4dB和 6dB。在第四章中,我们基于有限反馈的情况分析了第三章所提新型波束赋形技术在实际应用中所存在的缺陷:部署灵活性低且计算复杂度高。针对这两种缺陷,我们对该方案做了改进:将构建波束赋形权重向量的过程与所选天线索引集合无关化以提高部署灵活性,用性能相近且计算复杂度低的算法替代原计算赋形权重向量过程中所用算法以降低计算复杂度。根据有限反馈下的仿真评估,在本文的仿真条件下,当反馈比特数为6、7、8时,相比于空间相关性,改进后的方案性能增益分别为11.88%、19.40%和21.55%。总而言之,文中所提出的利用部分信道状态信息对基于空间相关性的波束赋形技术进行改进的波束赋形技术,能够有效地降低对瞬时信道状态信息的依赖,从而降低频分双工大规模天线系统的导频符号及反馈开销。
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