面向广域覆盖的波束域毫米波大规模MIMO无线通信理论方法研究

Millimeter wave massive multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication can expand the use of new spectrum resources and efficiently exploit space domain wireless resources, which further leads to significant improvement in wireless transmission rate. Thus, it has become a key technique for future wireless communications. To deal with the channel information acquisition bottleneck as well as the system implementation complexity problem involved in millimeter wave massive MIMO wireless communication in wide area coverage (WAC) scenarios, we aim at investigating beam domain millimeter wave massive MIMO wireless communication under the framework of beam domain communications in this project. The major research contents include analyses and modeling of statistical properties of millimeter wave wideband massive MIMO beam domain channels, acquisition of beam domain statistical channel information, optimal beam domain multiuser transmission with only statistical channel information at the transmitters, and optimal beam domain resource allocation. Our aims are to develop the statistical model of millimeter wave wideband massive MIMO beam domain channels, theoretical approaches for beam domain statistical channel information acquisition, theoretical approaches for optimal multiuser beam domain transmission, and theoretical approaches for optimal beam domain resource allocation. It is expected to achieve systematical results in beam domain millimeter wave wideband massive MIMO wireless communication in WAC scenarios and provide effective theoretical solutions to the involved channel information acquisition bottleneck and the system implementation complexity problem.

毫米波大规模MIMO无线通信技术能够拓展利用新频谱资源和深度挖掘空间维度无线资源，大幅提升无线传输速率，是未来无线通信系统关键技术。本项目针对广域覆盖场景下毫米波大规模MIMO无线通信所涉及的信道信息获取瓶颈及系统实现复杂性等问题，围绕波束域通信这一框架，拟开展面向广域覆盖的波束域毫米波大规模MIMO无线通信理论方法研究。研究内容包括毫米波宽带大规模MIMO波束域信道统计特性分析与建模、波束域统计信道信息获取理论方法、发送端仅知统计信道信息的波束域最优传输理论方法和波束资源调配理论方法四个方面。通过本项目的工作，拟探明波束域毫米波宽带大规模MIMO信道统计模型、波束域统计信道信息获取理论方法、多用户波束域最优传输理论方法及波束资源调配理论方法，以形成较为完整的面向广域覆盖的波束域毫米波大规模MIMO无线通信理论方法，为解决所涉及的信道信息获取瓶颈及系统实现复杂性等问题提供理论依据。

本项目针对面向广域覆盖的波束域毫米波大规模MIMO无线通信理论方法开展了研究。取得的代表性成果如下：1) 提出了利用统计信道信息的毫米波/太赫兹网络大规模MIMO 传输方法，所提方法能够缓解信道遮挡效应，增强对毫米波和太赫兹频段通信用户终端移动性的支持；2) 提出了一种大规模MIMO下行预编码频谱效率和功率效率联合优化理论方法，所提方法能够显著降低大规模MIMO下行预编码复杂度并实现频谱效率和功率效率的联合优化；3) 针对可重构智能表面辅助的多用户MIMO上行传输，提出了利用统计信道信息的上行预编码及反射相位联合优化理论方法，所提方法能够显著降低大规模MIMO上行预编码复杂度及功耗并实现频谱效率和功率效率的联合优化；4) 提出了一种多小区大规模MIMO下行能效优化传输方法，所提方法能够显著降低多小区大规模MIMO下行预编码复杂度并提升功率效率；5) 提出了一种卫星大规模MIMO下行预编码方法，所提方法能够显著提升低轨卫星通信的频谱效率。研究成果为5G/B5G网络中大规模MIMO的实际应用提供了技术支持。相关成果发表高水平学术论文多篇，获授权国家发明专利四项。项目开展过程中，培养硕士研究生毕业共6名。