隨著信息社會的發(fā)展,無線通信的傳輸速率需求呈指數(shù)增長。然而射頻頻譜資源日益緊缺,傳統(tǒng)的無線物理層傳輸技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為了大幅提高系統(tǒng)傳輸速率,一方面可以發(fā)展大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO,multiple-input multiple-output)技術(shù),顯著提升現(xiàn)有射頻傳輸頻段的頻譜效率以及功率效率,這一技術(shù)目前已成為5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù);另一方面需要挖掘包括光頻段在內(nèi)的更高頻段的頻譜資源,光無線通信技術(shù)利用光頻譜這一超高頻段,可以緩解射頻頻譜資源緊張,提高系統(tǒng)吞吐量,是一種極具潛力的無線傳輸技術(shù)。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,瞬時信道信息獲取困難是制約其在典型移動場景應(yīng)用的瓶頸因素;而在光無線通信系統(tǒng)中,信道的高相關(guān)性限制了系統(tǒng)性能的大幅提升。為了解決上述問題,本論文開展面向射頻無線通信和光無線通信的大規(guī)模MIMO波束分多址無線傳輸理論方法研究。首先,針對射頻大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)中,瞬時信道信息獲取困難、系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度高、對典型移動通信場景及典型頻段的適應(yīng)性等問題,提出波束分多址傳輸理論方法;進而研究多小區(qū)波束域傳輸中功率分配問題,證明了波束分多址傳輸?shù)淖顑?yōu)性,并提出快速有效的功率分配算法。隨后,針對光無線通信系統(tǒng)中,信道高相關(guān)性導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)用增益低的問題,提出利用發(fā)送透鏡的波束分多址傳輸理論方法,大幅提升單個基站的空間復(fù)用增益以及和速率等系統(tǒng)性能;進而提出在多基站網(wǎng)絡(luò)通信中利用收發(fā)透鏡的波束分多址傳輸理論方法,系統(tǒng)的傳輸自由度隨著用戶數(shù)與基站數(shù)線性增長。具體地,本論文的主要工作和貢獻包括:1.提出了基于統(tǒng)計信道信息的大規(guī)模MIMO波束分多址傳輸理論方法�，F(xiàn)有大規(guī)模MIMO傳輸方法中,基站側(cè)需要利用瞬時信道狀態(tài)信息(CSI,channel state information)進行下行預(yù)編碼設(shè)計,難以適應(yīng)中高速移動通信場景、FDD系統(tǒng)及高頻段移動通信系統(tǒng)。針對這一問題,論文首先從物理信道模型出發(fā),分析了大規(guī)模MIMO信道的空間特性,提出了波束域信道模型。在波束域信道中,不同波束對應(yīng)不同的發(fā)送方向,且信道增益獨立于寬帶OFDM系統(tǒng)的子載波�；诓ㄊ蛐诺滥Ｐ�,推導(dǎo)了遍歷可達和速率上界的閉式表達,由于遍歷和速率上界僅與信道統(tǒng)計信息有關(guān),因而計算復(fù)雜度低。繼而,以最大化遍歷和速率上界為目標,推導(dǎo)出最優(yōu)下行傳輸?shù)某浞直匾獥l件,提出了波束分多址(BDMA,beam division multiple access)傳輸理論方法。在BDMA傳輸方法中,基站利用統(tǒng)計信道信息為同時通信的用戶分配互不重疊的波束集合,從而將多用戶大規(guī)模MIMO信道鏈路分解為多個單用戶小規(guī)模MIMO信道鏈路,顯著降低信道估計的導(dǎo)頻開銷以及收發(fā)信號處理的復(fù)雜度。最后,在BDMA傳輸方法中,以最小化均方誤差(MSE,mean square error)為準則設(shè)計最優(yōu)導(dǎo)頻信號,提出利用Zadoff-Chu序列生成最優(yōu)導(dǎo)頻信號。數(shù)值仿真結(jié)果表明BDMA傳輸理論方法逼近最優(yōu)的性能,所提出的導(dǎo)頻設(shè)計可以顯著降低系統(tǒng)的誤比特率(BER,bit error rate)。2.將BDMA傳輸拓展到多小區(qū)大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng),提出最優(yōu)功率分配理論方法。在多小區(qū)大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)中,考慮每個基站僅知各自小區(qū)以及相鄰小區(qū)用戶的統(tǒng)計信道信息,同時服務(wù)數(shù)個多天線用戶終端。隨著基站側(cè)天線數(shù)趨于無窮大,各用戶信道矩陣的發(fā)送相關(guān)陣的特征矩陣趨于同一個酉矩陣,該酉矩陣僅與基站側(cè)天線陣列的結(jié)構(gòu)有關(guān),與用戶無關(guān)。利用各用戶信道矩陣發(fā)送相關(guān)陣的特征矩陣將空間域信道變換到波束域,基站在波束域中傳輸多用戶信號�？紤]波束域傳輸中功率分配問題,實現(xiàn)最大化系統(tǒng)遍歷和速率。當(dāng)用戶終端將用戶間干擾當(dāng)作等效噪聲的情況下,多小區(qū)大規(guī)模MIMO下行傳輸?shù)谋闅v可達和速率是兩個凹函數(shù)之差。針對最大化多小區(qū)遍歷可達和速率問題,首先從理論上得到最優(yōu)功率分配滿足的正交性條件,該結(jié)果表明基站在不同波束上發(fā)送不同用戶的信號,且不同用戶的最優(yōu)傳輸波束互不重疊,即BDMA傳輸是最優(yōu)的。隨后,提出了有效的功率分配算法,該算法可以收斂到滿足正交性條件的解。進一步,提出了基于確定性等同的功率分配算法,利用和速率的確定性等同表達,降低計算復(fù)雜度。數(shù)值仿真結(jié)果表明僅需幾步迭代過程,所提功率分配算法就可以收斂到逼近最優(yōu)的結(jié)果。3.提出了波束域大規(guī)模MIMO光無線傳輸理論方法�；緜�(cè)配置大規(guī)模光發(fā)送單元和發(fā)送透鏡,利用單個LED陣列同時發(fā)送大量用戶信號。首先,分析了光經(jīng)過透鏡折射的物理規(guī)律,建立了基于發(fā)送透鏡的大規(guī)模MIMO光傳輸信道模型,單個LED發(fā)出的光經(jīng)過發(fā)送透鏡的折射匯聚成一個窄波束。當(dāng)基站側(cè)LED個數(shù)趨于無窮大時,不同用戶的信道向量漸近正交�；谠撔诺滥Ｐ�,分析了大規(guī)模MIMO光無線通信系統(tǒng)中最大比發(fā)射(MRT,maximum ratio transmission)和正則化迫零(RZF,regularized zero-forcing)預(yù)編碼傳輸?shù)男阅?并提出最大化和速率的線性預(yù)編碼設(shè)計。進而,分析了LED個數(shù)趨于無窮大時漸近最優(yōu)預(yù)編碼設(shè)計,結(jié)果表明BDMA傳輸可以達到最大化和速率的漸近最優(yōu)性能。與無發(fā)送透鏡的設(shè)計相比,BDMA傳輸在總功率約束下可以提升和速率達2K倍,在單個LED功率約束下,和速率性能提升K倍,其中K為用戶個數(shù)。另外,在LED個數(shù)有限的情況下,證明了波束域傳輸中最優(yōu)功率分配的正交性條件,提出了簡單有效的功率分配算法。數(shù)值仿真結(jié)果驗證了波束域大規(guī)模MIMO光無線通信系統(tǒng)和速率性能的顯著提升,在服務(wù)用戶個數(shù)為484時,系統(tǒng)和速率性能可達2000 bps/Hz。4.將波束域大規(guī)模MIMO光無線傳輸拓展到多基站場景,提出了利用收發(fā)透鏡的網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模MIMO光無線傳輸理論方法。多個基站均配置大規(guī)模LED陣列與發(fā)送透鏡,同時服務(wù)覆蓋區(qū)域內(nèi)大量用戶終端,每個用戶終端配置大規(guī)模光接收陣列與接收透鏡。建立了利用收發(fā)透鏡的光傳輸信道模型,不同LED發(fā)出的光經(jīng)過發(fā)送透鏡折射到不同方向,當(dāng)基站側(cè)LED個數(shù)趨于無窮大時,同一個基站到不同用戶的信道矩陣漸近行正交;在用戶終端側(cè)不同方向的光信號經(jīng)過接收透鏡折射到不同光接收單元,當(dāng)用戶終端側(cè)光接收單元個數(shù)趨于無窮大時,不同基站到同一個用戶的信道矩陣漸近列正交。進而,在總功率約束與單個LED功率約束下設(shè)計最優(yōu)發(fā)送信號協(xié)方差矩陣最大化漸近和速率。從理論上揭示出最優(yōu)發(fā)送策略均為不同LED發(fā)送相互獨立的信號,且向不同用戶發(fā)送信號的波束集合相互正交(互不重疊),BDMA傳輸具有漸近最優(yōu)性。另外,分析了漸近情況下的網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模MIMO光無線通信系統(tǒng)的傳輸自由度。在兩種功率約束條件下,系統(tǒng)自由度均隨著基站數(shù)與用戶數(shù)線性增長。數(shù)值仿真結(jié)果展示了4個基站服務(wù)500個用戶時,系統(tǒng)頻譜效率可達6500bps/Hz,同時,單用戶平均速率達到13 bps/Hz。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5

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