基于滑动空间窗的大规模MIMO无线传输理论及方法研究

Massive MIMO is the key technology of 5G and the later wireless communications, non-ideal channel state information (CSI) results in the saturation of antennas, and energy efficiency is a convex function of antenna numbers, so it is necessary to perform antenna selections. The temporally optimal antenna selection is with very high complexity and unstable. Based on the fact that the antennas of massive MIMO span a large distance and undergo different fading and scattering, this project used sliding spatial windows to select antennas, and switch antennas by spatial window sliding with user moving. The planned work of the project includes: (1) to built mathematical models, including channel models, interference models, and signal models, of massive MIMO transmission based on sliding spatial widows, (2) to analyze the capacity of the sliding spatial widow based system on ideal CSI and non-ideal CSI and to compare with the capacity based on optimal antenna selections, (3) to explore efficient algorithms of channel estimation, joint transmission and joint reception, (4) to design a concept structure of the network. The transmission based on sliding spatial windows is robust and with low complexity. The designed network based on sliding spatial windows is expected to over through the current cellular structure, guarantee high QoS of mobile users, and realize ubiquitous high quality service.

大规模MIMO是5G及其以后无线通信系统的关键技术，非理想信道信息使天线数呈现饱和现象，能效是天线数的凸函数，有必要进行天线选择，而实时最优天线选择复杂度高且不稳定。本项目根据大规模天线空间跨度大、散射及衰减差异大的特点，采用空间窗滑动的方法进行天线选择，在用户位置移动时以空间窗滑动的方式进行天线切换。项目拟进行的研究包括（1）建立基于空间窗的大规模MIMO传输的数学模型，包括信道模型、干扰模型和信号模型；（2）理论分析该传输方式在已知信道信息和非理想信道信息下的容量，并与最优天线选择对比；（3）针对该传输方式探寻有效的信道估计、联合发送及联合接收算法；（4）进行网络结构的概念设计。该传输方式复杂度低，鲁棒性强。基于空间滑动窗设计的系统有望突破蜂窝小区的结构形式，保证移动用户高质量的服务，实现无处不在的高性能服务。

大规模MIMO是现代高速无线通信系统的关键技术，非理想信道信息使天线数呈现饱和现象，有必要进行天线选择，而实时最优天线选择复杂度高且不稳定。本项目采用空间窗滑动的方法进行天线选择，在用户位置移动时以空间窗滑动的方式进行天线切换。项目组对该传输方式下的相关问题进行了研究。针对均匀线性天线阵列、二维平面阵列和多面板天线通信场景，研究了基于滑动空间窗的大规模MIMO传输的信号特点、干扰特点和信道特点，建立了相应的信号模型、干扰模型和信道模型；研究了多种场景下的该传输方式的容量以及非理想信道信息的容量，获得了容量概率分布和容量界；研究了该传输方式下的信道估计方法、天线选择方法、预编码方法和接收算法，获得了有效的信道估计方法、预编码方法和接收算法；对基于滑动空间窗的大规模MIMO传输的网络结构进行了研究，分析了系统容量；还研究了其它相关的扩展问题：大规模MIMO的能效问题，基于波束的通信技术，量化和有限反馈技术，多天线阵列的数字模拟混合编码问题，以及稀疏信道的估计技术。研究所得到的算法、结果和网络结构对构建新型无线通信网具有重要的参考价值。