非对称架构下大规模MIMO无线传输关键技术研究.pdf

摘要

目前第五代移动通信系统（The5thGenerationMobileCommunicationSystem，5G）已经

开始商用，采用了大规模多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）技术的5G

实现了更高速率、更低时延、以及更大规模接入。然而，其过高的硬件和功耗成本限制了该

技术的进一步发展。为了在降低成本的同时尽可能维持大规模MIMO的性能优势，学者们提

出了一种新颖的非对称全数字架构。通过解耦收发射频链，非对称架构允许上下行按实际需

求灵活配置射频链。上行接收时基站配备少量接收射频链以减少成本，可以有效缓解硬件成

本与性能需求之间的矛盾。但是，上下行阵列规模不一致会导致信道非互易，且上行天线的

选取也影响系统能量效率。围绕上述问题，本文开展了非对称大规模MIMO系统中的无线传

输技术研究，具体内容如下：

首先，针对非对称系统上下行信道非互易的问题，利用互质阵列和信道空间群稀疏特性，

提出了两种高精度的完整信道重建方法。考虑一个配备了大规模阵列的基站与一个单天线用

户，基站采用非对称全数字传输架构，仅利用部分天线接收上行导频信号，其中部分接收天

线采用互质阵列的拓扑结构，并连接到接收射频链。基于上行接收的导频信号，构造与下行

阵列维度一致的虚拟阵列信号作为观测样本。利用该观测样本和信道稀疏特性，分别提出了

收敛速度较快的改进块稀疏正交匹配追踪法和估计精度更高的交替方向乘子法两种下行信道

重建方法。仿真结果表明，所提出的信道重建方法能以较高的精度重建完整的下行信道。

然后，针对非对称系统上行接收过程，提出了能量效率最大化的基于统计信道状态信息

的接收天线选择方案和发送协方差矩阵设计方法。考虑一个配备了大规模阵列的基站与一个

多天线用户，在莱斯信道下，基站采用非对称全数字传输架构，仅用部分天线接收上行信号。

针对空间不相关信道，推导了能量效率最大化的接收天线数与用户发送功率；针对空间相关

信道，提出了基于条件梯度和注水算法的接收天线子集和发送协方差矩阵联合设计方法，该

方法可快速确定最优的接收天线数。为了进一步提高能量效率，当接收天线数确定时，提出

了基于范数最小选择和注水算法的联合设计方法。仿真结果表明，相比其他现有算法，所提

出的天线选择方法的性能非常接近穷举法，且具有更低的计算复杂度。

关键词:非对称架构，大规模MIMO，互质阵列，统计CSI，天线选择

Abstract

The5thgenerationmobilecommunicationsystem(5G)hasbeencommerciallydeployed.

Supportedbythemassivemultiple-inputmultiple-output(MIMO)technology,5Gprovideshigher

rate,lowerlatency,andaccessesformoredevices.Meanwhile,theoverwhelminghardwarecostand

powerconsumptioncausedbythelarge-scalearrayhashinderedthefurtherdevelopmentofmassive

MIMO.ToreducedeployingcostwhilekeepingtheadvantagesofmassiveMIMOasmuchas

possible,anovelasymmetricalfull-digitalarchitectureisrecentlyproposed.Bydecouplingthe

transmitandreceiveradiofrequency(RF)chains,theasymmetricalarchitectureallowsdifferent

numberofRFchainsfordownlinkanduplinkaccordingtothepracticalsystemdemand.Theuplink

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