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大规模MIMO系统中的混合预编码技术研究_魏敏.docx

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.51M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    硕士学位论文
    题目： 大规模MIMO系统中的混合预编码技术研究
    中国•北京
    摘要
    ABSTRACT
    目录
    V
    .Ijrn
    _3始::
    SR
    11
    II
    X、= argminf^ (x)
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    x =argminf()(x)xex
    第五章总结与展望
    参考文献
    附录
    致谢
    攻读硕士期间的学术成果
    密级： 保密期限: 硕士学位论文 题目： 大规模 MIMO 系统中的混合预编码技术研究 学 号： 2016140309 姓 名： 魏敏 专 业 ： 电 子 与 通 信 工 程 导 师： 滕颖蕾 学 院： 电子工程学院 2019 年 5 月 29 日 中国•北京
    密级： 保密期限： 硕士学位论文 题目： 大规模 MIMO 系统中的 2019 年 5 月 29 日
    Secret Level: Confidentiality Period: BEIJING UNIVERSITY OF ELECOMMUNICATIONS POSTS AND T Thesis for Master Degree TITLE: ANALYSIS OF HYBRID PRECODING SCHEMES FOR MASSIVE MIMO SYSTEMS Student No.: Candidate; 2016140309 Min Wei________________ Major: Electronic and Communication Engineering Supervisor; Yinglei Teng Institute: School of Electronic Engineering May 29,2019
    独创性（或创新性）声明 本 人 声 明 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 研 究 成 果 。 尽 我 所 知 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 中 所 罗 列 的 内 容 以 外 ， 论 文 中 不 包 含 其 他 人 己 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 北 京 邮 电 大 学 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究 所 做 的 任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：氣 日期：崎 q_______________________ 关于论文使用授权的说明 本 人 完 全 了 解 并 同 意 北 京 邮 电 大 学 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， BP ： 北 京 邮 电 大 学 拥 有 以 下 关 于 学 位 论 文 的 无 偿 使 用 权 ， 具 体 包 括 ： 学 校 有 权 保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 学 位 论 文 ， 有 权 允 许 学 位 论 文 被 查 阅 和 借 阅 ； 学 校 可 以 公 布 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 ， 有 权 允 许 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 它 复 制 手 段 保 存 、 汇 編 学 位 论 文 ， 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 。 （ 保 密 的学位论文在解密后遵守此规定） 本人签名：莫 K 曰期：孓片 导师签名：椿^^~ 日期：崎
    大规模 MIMO 系统中的混合预编码技术研究 摘要 随 着 5G 时 代 的 到 来 ， 大 规 模 多 输 入 多 输 出 (multiple-input multiple-output, MIMO) 技 术 将 逐 渐 替 代 传 统 MIMO 技 术 ， 成 为 下 一 代 无 线 通 信 系 统 的 关 键 技 术 之 一 。 随 着 天 线 数 量 的 增 加 ， 显 著 提 高 了 频 谱 效 率 和 信 道 容 量 。 但 同 时 也 带 来 了 一 些 挑 战 ， 如 射 频 链 路 成 本 问 题 ， 导 频 污 染 问 题 等 。 传 统 全 数 字 预 编 码 需 要 射 频 链 路 数 与 天 线 数 量 相 等 ， 实 现 成 本 高 昂 。 在 此 背 景 下 提 出 的 混 合 预 编 码 技 术 能 大 大 降 低 所需射频链路数，因而成为当前重要的研究方向。 本 文 对 大 规 模 MIMO 系 统 中 的 混 合 预 编 码 技 术 进 行 研 究 ， 从 天 线 结 构 角 度 考 虑 ， 创 新 性 地 提 出 了 两 种 不 同 天 线 结 构 的 混 合 预 编 码 设 计 策 略 。 运 用 凸 优 化 和 随 机 优 化 方 法 求 解 优 化 问 题 ， 分 析 了 算 法 复 杂 度和收敛性，并通过仿真验证所提算法的性能。论文的具体贡献如下： 1) 提 出 一 种 基 于 混 合 时 间 尺 度 信 道 状 态 信 息 (channel state information, CSI) 的 分 组 用 户 混 合 预 编 码 设 计 。 基 于 自 适 应 部 分 连 接 的 天 线 结 构 ， 考 虑 天 线 结 构 的 硬 件 约 束 ， 最 大 化 所 有 组 中 最 小 的 统 计 信 漏 噪 比 (signal-to-leakage-and-noise SLNR), 设 计 混 合 预 编 码 优 化 问 题 。 其 中 ， 模 拟 预 编 码 根 据 长 时 统 计 CSI 确 定 ， 数 字 预 编 码 则 与 实 时 CSI 有 关 ， 从 而 降 低 了 CSI 信 令 开 销 。 与 己 有 的 基 于 全 连 接 ratio, 天 线 结 构 和 固 定 部 分 连 接 天 线 结 构 的 算 法 相 比 ， 能 看 出 所 提 算 法 可 在 性能，复杂度，CSI 信令开销之间取得很好的平衡。 2) 考 虑 总 功 率 ( 无 线 发 射 功 率 和 硬 件 消 耗 功 率 ) 最 小 化 问 题 ， 提 出 一 种 自 适 应 全 连 接 天 线 结 构 ， 能 根 据 优 化 目 标 调 节 模 拟 预 编 码 中 激 活 的 模 拟 移 相 器 (analog phase shifter ， APS) 和 射 频 链 路 数 量 ， 并 基 于 所 提 天 线 结 构 提 出 一 种 稀 疏 混 合 预 编 码 设 计 。 优 化 问 题 中 考 虑 用 户 平 均 速 率 约 束 ， 以 最 小 化 总 功 率 消 耗 为 优 化 目 标 ， 同 时 考 虑 了 无 线 发 射 功 率 和 硬 件 消 耗 功 率 ， 提 出 一 种 针 对 稀 疏 混 合 预 编 码 的 有 约 束 随 机 连 续 凸 近 似 算 法 ， 证 明 了 算 法 具 有 较 好 的 收 敛 性 ， 且 相 比 于 已 有 算 法具有功耗低、能量效率高的优势。 关键字：大规模 MIMO 技术 混合预编码 天线结构功率最小化
    ANALYSIS OF HYBRID PRECODING SCHEMES FOR MASSIVE MIMO SYSTEMS ABSTRACT With the advent of 5G era ， the conventional MIMO gradually, as next antennas, the of greatly. pilot required same with is precoding required RF wireless the However, contamination chain that of proposed chains RF of efficiency technology the one system. With becomes communication energy the technology of massive MIMO replaces which key the channel some problem. fully-digital the cost reduce to research and in antennas, which under and also hardware conventional causes background an the brings cost this becomes important the the and to number improve such the technologies increasing capacity challenges, The precoding problem. Hybrid the of area. number is number of the Hybrid precoding paper. From the in massive MIMO systems perspective has structure, antenna two been researched the precoding innovatively. optimization complexity through follows: schemes The are and simulation on based methods in of different convex adopted convergence results. solve analyzed to are The main of kinds are and problems. antenna structures the approximation optimization the contributions and performance of is paper the hybrid precoding scheme is 1) A mixed-timescale precoding hybrid per-group optimization all problem is statistical SLNR among The minimal partially-connected constraints to to instantaneous CSI, which reduces the CSI signaling overhead. The Specifically, the the RF baseband long-term channel groups which designed and based considers structure, structure. statistics antenna antenna and the the on to max on the the precoder precoder is is in hybrid proposed stochastic The verified as are proposed. the adaptive hardware adaptive adaptive
    proposed algorithm is compared with the existing algorithms based on the shows fully-connected achieve that between performance, complexity and CSI signaling overhead. structures, which better partially-connected algorithm can and proposed antenna balance the a according scheme is (wireless problem, 2) Considering the total transmit an power adaptive structure. Considering power consumption) minimization power antenna structure is proposed to adjust chains to the objective of hybrid precoding (SHP) antenna optimization consumption, consumption approximation optimization problem. power consumption convergence speed compared to the other existing algorithms. hardware and fully-connected the active number of APSs and RF the optimization problem. A sparse also proposed based on the proposed users ， the average at total power hardware wireless constrained convex the (CSSCA-SHP) lower good solve the proposed algorithm has a the A SHP It and problem including power. for is the aiming and successive stochastic is is proved that transmit power proposed to minimizing higher energy efficiency with data rate of the Keywords: massive MIMO; hybrid precoding; antenna structure; power minimization
    目录 目录 ............................ .................................. .. .................................................1 L1 研究背景及意义“…..............1 1.2 国内外研宄现状.................................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容及创新点....................................................................................................... <5 1.4 论文项目依托................................................................................................................ 7 1.5 论文结构安排..................................................................................................................................7 第二章 大规模 MIMO 系统的天线结构及信道模型™， ............................................................. 9 2.3 随机优化在无线通信中的应用............................................................................................... 9 2.1 大规模 MIMO 系统的天线结构.......................................................................................... 2.2 大规模 MIMO 系统的信道模型......... .................................................................................. 11 22.1 SCM 信道模型.......................................................................................................... 11 2.2.2 基于几何的信道模型........................................................................................... 12 13 第三章 基于混合时间尺度 CSI 的分组用户混合预编码设计.................................. ........................15 3,1 研究背景........................................ ...............................................................*..........................15 3.2 主要研究内容及贡献....................... *..................... ................................. ...................... .....................................................................16 3.3 系统模型……..... ........... ........................................ .......................... ........................................17 3.3.1 基于有限 RF 链路数的多用户大规模 MIMO 系统................................. ................. 17 3.3.2 基于用户分组的空间信道模型................................................................................. _18 3.4 预编码算法设计........ ........ ...................................................................................................... 19 20 .....20 3.5 自适应部分连接网络和模拟移相器的联合设计 .................................... ..............................22 3.6 算法性能分析........................................................................................................................... 25 3.7 本章小结…................... ................................................. . .......................... ...*...........................28 第四章 功率最小化的稀疏混合预编码设计....................................... .................................................29 29 4.1 研究背景........................................................................................................................... 31 4.2 主要研究内容及贡献....................... .................................................................................... 32 4.3 系统模型............................................................................................................................... 34 4.4 § 4.5 稀疏混合预编码优化问题........................................................................................................... 36 3.4.1 数字预编码的设计............... ................................................................................... 3.4.2 模拟预编码优化问题.............. .............................................................................. 4.6 有约束的随机连续凸近似算法............................................................................................... 4.5.1 36 4.52 目标函数的稀疏光滑近似................................................................................................ 37 38 4.6.1 构造替代函数...................................................................................................................38 4.6.2 CSSCA-SHP 胃 .. ..... ................................................................................................40 4.6.3 算法实践问题...................................................................................................................41 42 4.7J 强收敛条件下的收敛性......................................................................................... 42 4.7.2 弱收敛条件下的收敛性................................................................................................. 44 4.7 算法收敛性分析.......................................................................................................................
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