大规模MIMO通信系统中混合预编码的理论与方法研究

Hybrid precoding draws wide attention due to its efficiency in addressing high-cost issues in massive MIMO, and thus is a key technology for future mobile communications. This project aims at improving the performance of massive MIMO systems with hybrid precoding under limited resources. In particular, the main contributions of this project are fourfold. First, to overcome the limitations of hardware resources, this project plans to explore analog and digital structure designs in hybrid precoding, and build an optimization model constrained by the numbers of RF chains and phase shifters. As such, an analog and digital precoding structure with low cost and precise beams is achieved. Second, to address the predicament of limited computing resources, this project plans to discover the coupling mechanism of the hybrid precoding matrix. To this end, an iterative decoupling method is proposed, which lays the foundation of hybrid precoding matrix design with low complexity. Third, to break the bottleneck of energy resource constraints, this project plans to establish an optimization model of the energy-efficiency function in hybrid precoding under power constraints. Furthermore, this project aims to propose an antenna selection method based on channel correlation, and design the hybrid precoding matrix with optimal energy efficiency. Finally, to address the challenge of limited spectrum resources, this project plans to explore the mechanism of how pilot resources impact the design of analog and digital hybrid precoding, and then develop a user subspace selection approach based on statistical channel state information, thereby effectively reducing pilot overhead without undermining performance.

混合预编码可以有效解决大规模MIMO通信系统成本过高的问题，是未来移动通信的关键技术，因此备受关注。本项目主要致力于解决大规模MIMO通信系统在资源受限下混合预编码的性能如何提升的问题，主要创新点包括：⑴ 针对硬件资源受限，探索混合预编码的模数域结构原理，建立以射频链路数与移相器数为约束条件的优化模型，实现低成本、波束精度高的模数域结构；⑵ 针对计算资源受限，揭示混合预编码矩阵耦合机理，提出迭代解耦新方法，为低复杂度的编码矩阵设计奠定基础；⑶ 针对能量资源受限，建立功率受限下的混合预编码能效函数优化模型，提出基于信道相关性的天线选择方法，设计能效最优的混合预编码矩阵；⑷ 针对频谱资源受限，揭示导频资源开销对混合预编码矩阵设计的影响机理，提出基于统计信道状态信息的用户子空间选取方法，利用部分统计信道状态信息设计混合预编码矩阵，实现在性能保证的同时能有效降低导频开销。

本项目以提高大规模MIMO通信系统容量和传输速率为目标，致力于解决其在硬件资源和计算资源受限下能谱效率的问题。通过构建新型低硬件成本的混合预编码模数域架构，探索混合预编码求解中的耦合机理，分析能效函数与混合预编码矩阵的关系，揭示导频资源开销对混合预编码矩阵的影响机理，在低硬件成本混合模数域架构下设计低复杂度、低能耗、高谱效的混合预编码方案，形成较为完整的大规模MIMO通信系统混合预编码策略，为大规模MIMO传输方案设计奠定理论基础。具体地，本项目取得的重要成果可总计为：揭示了RF链数量对混合预编码系统传输速率影响的作用机理，建立了基于离散透镜的阵列架构，实现了低成本高精度的混合预编码模数域架构；提出了基于空间瓣划分的低复杂度混合预编码方案，依据空间瓣将毫米波信道划分为多个近似正交的子信道，在降低复杂度的同时实现与全数字预编码方案相近的性能；建立了广义子阵列混合预编码架构，每根RF链通过移项器和所有天线连接而获得最大的天线增益和频谱效率；提出了基于非均匀量化的混合预编码方案，将高量化比特用于量化有效的覆盖区域，同时分配较小甚至零量化比特到无效的覆盖区域，克服了传统均匀量化结构中反馈开销大的问题；提出了基于空间相关性的宽带系统混合预编码方案和基于统计信道状态信息的宽带多用户混合预编码方案，有效地抑制了大规模MIMO宽带通信系统中的波束斜视问题，缓解了波束斜视对传输速率的影响；提出了缓存辅助的大规模MIMO线性预编码设计和混合最大比传输预编码的用户选择方案，有效抑制用户间干扰并提升系统吞吐量。. 本项目发表学术论文38篇，其中SCI收录33篇；申请国家发明专利8项，其中获授权4项。培养博士生11人，硕士生1人，获国家奖学金1次，获优秀博士学业奖学金5次；项目执行期内选派2位项目组成员到国外进行联合培养。