大规模MIMO系统中面向公共广播信息传输的发射技术研究

Massive MIMO with a very large number of base station (BS) antennas can obtain the high array gain by using transmission beamforming technique and significantly improve system energy efficiency and spectrum efficiency. Du to these advantages, it has been considered as a key technique in future wireless communication systems. However, in order to achieve these advantages, the BS need to know the downlink channel state information. It is easy for dedicated channels where the users have been accessed to the BS but difficult for public broadcast channel where the users are inactive such that the BS is unaware of their existence. Therefore, this proposal will focus on designing several effective transmission schemes to broadcast public information. The detailed research contents are listed as follows: 1) We will propose a wide-beam transmission scheme for covering the service area. 2) We will propose a time-domain beam switch scheme with the tradeoff between the array gain and the switching interval. 3) We will propose a cyclic delay diversity with omnidirectional coverage. 4) We will propose a transmission scheme where the user’s data and the public information are transmitted separately. Depending on these researches, some effective transmission schemes will be proposed to broadcast the public information. Finally, this project will provide a theoretical guidance of applying massive MIMO techniques to practical systems.

大规模MIMO通过在基站配置大规模天线阵列，可充分利用发射波束形成技术获得高阵列增益，从而显著提升了系统的能量效率和频谱效率。然而，这些优势的获得需要基站已知下行信道信息，这在用户接入信道后的数据传输阶段一般可行，而在用户接入基站前的公共广播信息传输阶段则存在诸多困难。这是因为在公共广播信息传输阶段，基站通常无法提前获知服务小区用户的信道信息，以致不得不采用具有全向覆盖特性的传输技术进行广播信息发射。基于此，本申请拟对大规模MIMO系统中面向广播信息传输的发射方案进行研究，具体包括：1）研究具有可覆盖整个服务区域的宽主瓣波束形成技术；2）研究考虑阵列增益和波束切换周期折中的时域波束切换技术；3）研究具有全向覆盖特性的循环延迟发射分集方案；4）研究具有数据业务和广播信息分离的发射方案。最终将通过这四方面研究，设计具有较好覆盖特性的广播信息发射方案，从而推动大规模MIMO向实用化发展。

随着蜂窝移动通信系统中各类通信业务量和多样化智能终端总量的不断增加，人们对蜂窝移动通信系统中数据传输速率和系统容量提出了更高的要求。传统蜂窝移动通信系统中3GHz以下的频谱资源已经逐渐不能满足社会当下与未来需求，毫米波频段因其丰富的频谱资源受到广泛关注，已成为下一代移动通信系统的研究热点。毫米波技术通常与大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）技术相结合，同时利用波束成形技术获得高增益以弥补毫米波传输中的高路径损耗。本课题主要针对毫米波大规模MIMO系统中面向广播信息传输的发射方案设计进行研究，研究内容主要包括：.1）针对宽波束的发射方案设计，给出了三种情况下的子阵列波束指向以及权向量设计，在此基础上建立了标准波束的数据库，并通过对比目标波束与标准数据库中的波束特征来确定子阵列数量，提出了一种根据子阵列数量以及调整子阵间距的波束宽度的算法。2）在基于波束扫描的用户接入系统中，利用天线阵列和波束成形技术所获得的高增益窄波束提高用户端信干噪比，增加系统容量。通过对波束宽度和天线数进行优化，提出了一种基于容量最大化的用户发现波束宽度设计方案，获得了可以最大化系统容量上限的最优波束宽度闭式解。3）将阵列信号处理和循环延迟分集（CDD）技术结合，提出了一种基于频域波束切换技术进行波束展宽的设计方案，该方法通过在频域改进相移量来展宽扫描波束，减小了各子载波产生的波束之间的空隙，最终在基带达到了等增益的全向覆盖。4）提出了一种异构网中基于位置信息辅助的用户接入方案，其核心是通过构造异构网络实现用户位置信息的获取和传递，减少在用户发现阶段用于波束扫描的窄波束增加的系统控制开销，在最大化系统容量的基础上有效减小搜索时延。