毫米波大规模天线通信中混合结构收发机的理论分析及关键技术研究

Millimeter-wave massive MIMO is one of the key technologies to achieve multiple-Gbps super-high-speed, GHz bandwidth, and ultra-low latency communication. However, its theoretical and technical architectures are not mature. There are defects and deficiencies in many key aspects such as transceivers. Hybrid transceivers are the most attractive transceiver solutions. But their transmission performance has not yet been evaluated systematically and the related hybrid precoding-combining design is faced with the problem of too tight coupling of signal processing in the analog domain and digital domain. Therefore, the project will consider the channel sparsity and large dimension, and perform the theoretical analysis and key technology research on the hybrid transceiver. The large-system behavior of sparse random matrix will be firstly investigated to develop the large-system analysis method based on which the performance of spectrum efficiency and energy efficiency will be clarified. This project will use the asymptotic analysis method to study the error probability performance and employ the large-system equivalent method to decouple the hybrid precoding-combining design problem. Afterwards, the decoupled hybrid precoding-combining algorithm will be investigated as well as the corresponding channel estimation algorithm and limited feedback technology. The study will provide theoretical and technical support for the design and implementation of millimeter-wave massive MIMO communication transceivers.

毫米波大规模天线通信是实现数Gbps超高速率、GHz带宽和超低时延通信的潜在技术方案，然而其理论和技术体系尚未成熟，例如在收发机这一关键环节上就存在缺陷与不足。目前最受关注的混合结构收发机方案，其传输性能仍未得到全面的评估；与之相关的混合预编码-合并，在设计时面临模拟域-数字域处理耦合过紧的问题，存在技术实现难度和风险。为此，课题拟在毫米波大规模天线通信场景下，考虑信道稀疏性和大维度的特点，开展混合结构收发机的理论分析和关键技术研究。课题以稀疏随机矩阵的大系统（large-system）行为规律为切入点，研究建立大系统分析方法，分析频谱效率和能效等性能；利用渐近分析方法，研究差错概率性能；利用大系统等价方法，对混合预编码-合并设计问题进行解耦分析；研究模数解耦的混合预编码-合并算法及配套的信道估计算法和有限反馈技术方案。研究成果将为毫米波大规模天线通信收发机的设计实现提供理论和技术支持。

毫米波大规模天线技术是实现超高速率、超宽带宽和超低时延通信的关键技术之一。项目组在毫米波大规模天线系统场景下，考虑信道稀疏性和大维度的特点，开展了混合结构收发机的理论分析和关键技术研究，取得了如下重要进展：.1）提出基于大偏差理论的稀疏随机信道矩阵特征值渐近分析问题模型，通过引入统计物理学库伦气体近似方法，推导了大规模MIMO信道矩阵最大特征值累积分布函数的闭式近似表达式，克服了在信道矩阵元素非高斯时传统近似方法无法适用的问题，将近似表示拓展至Nakagami-m衰落环境中，可用于具有复杂幅度-相位联合分布的毫米波大规模MIMO信道性能分析。.2）针对毫米波大规模MIMO信道模型，研究将信道估计问题转化为大规模线性方程求解问题，设计了一种基于加速投影算法的分布式信道估计方法，提出了毫米波大规模MIMO信道估计并行处理实现的新思路。在此基础上，针对现有稀疏信号恢复普遍以串行方式执行、处理时延较高的问题，提出了一种基于分布式一致策略的稀疏信号恢复方法，在问题规模极大的条件下，实现大规模并行化处理、保障较低处理时延。.3）结合控制理论，基于动力学方程调整估计参数，对毫米波大规模MIMO信道状态进行迭代跟踪，研究面向模数解耦的信道状态信息有限反馈技术方案，为混合结构收发机可用的低通信开销有限反馈方案提供了参考，同时也初步验证了在无线通信中基于动力学方程迭代跟踪系统参数的可行性。.本项目针对毫米波大规模MIMO系统开展了基于大系统行为和渐近行为的性能分析研究，以及面向模数解耦的关键技术研究，取得了一定进展，为毫米波大规模MIMO系统混合结构收发机研究提供了一定的理论支撑，同时也为下一代无线通信系统研发提供技术参考，具有较好的应用价值。