基于空域相关矩阵反馈的 Massive MIMO 双级预编码研究

As the key technology for future mobile communication, Massive MIMO can significantly improve the system performance by installing a lot of antennas. However, traditional single-stage precoding technique can be hardly used in Massive MIMO systems due to the large antenna number. To achieve a low complexity precoding scheme with low feedback cost, a dual-stage precoding technique has been proposed in existing works where the single-stage precoding is replaced by a dual-stage precoding, including a first stage precoding and a second stage precoding. The first stage precoding can see an equivalent channel with low dimension and thus the traditional precoding technique can be directly used for the first stage precoding. The second stage precoding depends on the channel spatial correlation which is usually unknown. In this proposal, we propose a scheme based on the estimation, quantization and feedback of the channel spatial correlation matrix: the mobile terminal first estimate the spatial correlation matrix through the received signal, quantize the estimation results and then feed the quantization results back to the base station. The feedback information for the correlation matrix can be used for constructing the second stage precoding matrix at the base station. As the increasing of number of the feedback bits, the proposed scheme can achieve the optimal second stage precoding asymptotically, which provides a reliable theoretical framework for the optimal design of the second stage precoding.

作为未来移动通信系统的关键技术，Massive MIMO可以通过布置大量天线显著提升移动通信系统性能。然而，天线数的大幅增加使传统单级预编码技术不再适用于Massive MIMO系统。国内外文献提出了基于信道空域相关特性的双级预编码技术，将传统单级预编码分解成一级预编码和二级预编码，以实现高效的Massive MIMO预编码。一级预编码“看到”的等效信道尺寸较小，可以直接使用传统预编码技术；二级预编码取决于信道空域相关矩阵。由于基站侧的信道空域相关矩阵一般是未知的，本课题借鉴有限反馈思路提出了信道空域相关矩阵的“估计、量化和反馈”方案：移动台首先利用接收信号估计基站侧信道空域相关矩阵，然后对相关矩阵估值量化并将量化结果反馈给基站，基站利用得到的相关矩阵信息构造二级预编码矩阵。随着反馈比特数增加，本课题方案将逐渐逼近最优二级预编码矩阵，为二级预编码器的最优设计提供可靠的理论支撑。

随着当前社会从信息化向智能化发展，人们对移动通信系统提出了更高的要求，第五代移动通信（5G）成为了未来智能社会的基础。作为5G物理层关键技术，Massive MIMO在国内外得到了广泛的研究和关注。相比于传统移动通信系统，Massive MIMO通过在基站一侧部署大量天线阵元可以显著提高无线链路的信噪比，从而提高无线系统容量、改善误码性能。..当天线数较大时，传统的信道估计与上行反馈技术无法直接应用于Massive MIMO系统，因此国内外研究中普遍采用了基于信道空域相关特性的双级预编码技术，将传统单级预编码分解成一级预编码和二级预编码。一级预编码在小维等效信道的基础上直接使用传统预编码技术；二级预编码将大维物理信道转化为小维等效信道，它取决于信道空域相关矩阵。由于基站侧的信道空域相关矩阵一般是未知的，本课题借鉴有限反馈思路开展了信道空域相关矩阵的“估计、量化和反馈”方案的研究：移动台首先利用接收信号估计基站侧信道空域相关矩阵，然后对相关矩阵估值量化并将量化结果反馈给基站，基站利用得到的相关矩阵信息构造二级预编码矩阵。..通过对空域信道相关矩阵“估计、量化和反馈”方案研究，本课题发现，当天线数较大时，对协方差矩阵的量化可以转化成对空域角度谱的量化。由于空域角度谱可以看成是泛函空间中的一个点，因此对角度谱量化的问题进一步变成了泛函空间量化问题。本课题将泛函空间量化问题转换为Grassmannian line packing问题，成功解决了空域协方差矩阵量化码本设计的问题。在此基础上所提出的二级承编码器，可以看成是采用了Discrete Prolate Sequence序列进行调制后的波束形成器，可以获得优于传统DFT波束形成的带外泄露性能。仿真结果表明，在64天线16用户的场景中，所提出二级预编码器较DFT波束形成器可以获得3dB的性能改善。..目前5G系统仍然采用的是只对相位进行调整的DFT码本，本项目研究结果表明，采用幅度、相位联合设计的码本可以获得优于DFT码本的性能，因此对于未来5G系统技术演进具有重要的参考价值。