5G移动通信中大规模MIMO阵列互耦效应关键技术研究

Massive MIMO is a key technology in future 5G wireless communication systems. However, the performance of MIMO communication systems is affected by the mutual coupling between array elements, which leads to lower system capacity. Recent studies indicate that the effective use of mutual coupling information can significantly improve the performance of MIMO systems. To get this information, the MIMO array mutual coupling estimation becomes a key technology and worth exploring. The project aims to provide robust and efficient mutual coupling estimation algorithms for multi-user massive MIMO communication systems. For suburban and urban wireless environments, directional and stochastic fading wireless channel models are used respectively. Then, aiming at mutual coupling and channel parameters joint estimation, the optimization problems are separately built in the scenarios of pilot-assisted estimation, blind estimation, pilot contamination, and coherent sources. Finally, novel low complexity and global optimal parameter estimation theories are proposed based on convex optimization, slack variables, and sparse optimization methods. On this basis, computational complexity analysis is carried out for the above problems, which provides a theoretical basis for the study of fast mutual coupling estimation algorithms. This research, which involves interdisciplinary, is the combination of array signal processing, communication signal processing, and optimization theory. It aims to get breakthroughs and innovations on theory and application as well as to promote the development and application of 5G mobile communications.

大规模MIMO是未来5G无线通信中的一项关键技术，然而MIMO通信系统的性能受到阵元间互耦的影响，导致系统容量下降。最新研究表明，有效利用互耦信息可以显著改善MIMO系统性能。为了得到这一信息，MIMO阵列的互耦估计便成为值得探索的关键技术。本项目旨在为多用户的大规模MIMO通信系统提供稳健高效的互耦估计算法。针对郊区和城市等不同的无线环境，分别建立基于方向性和随机衰落的信道模型，以互耦和信道参数联合估计为目标，建立导频估计、盲估计、导频污染、相干信源等场景下的优化问题，最后基于凸优化、变量松弛以及稀疏优化等方法，提出复杂度低且全局最优的参数估计新理论。在此基础上，对上述问题进行计算复杂度的理论分析，为研究高效快速的互耦估计算法提供理论依据。该研究是阵列、通信信号处理以及优化理论三者的有机结合，涉及交叉学科，旨在获得理论和应用上的突破和创新，进一步推动5G移动通信技术的发展和应用。

阵列天线被广泛应用于雷达、通信、声纳、医疗和射电天文等领域。尤其是近五年来，大规模MIMO阵列天线因为具有高的能量效率、频谱利用率、空间分辨率和更大覆盖范围等优点，被作为第五代移动通信中的一项关键技术，也因此受到研究人员的广泛关注。..本研究针对通信系统中大规模MIMO阵列系统，研究空间中散射点较少从而无线信道可建模为多径模型时的参数估计问题，主要考虑了参数估计中的波达方向估计问题和互耦未知时的阵列自校准问题。主要成果如下：...1..提出了一种基于平法和与半定规划的最大似然方向估计方法，其特点是能够获得精确的方向估计并且空间分辨能力强，在低信噪比、样本数小等困难条件下的估计性能的优势更加明显，缺点是复杂度较高。..2..提出了一种基于稀疏信号重构的方向估计方法，其特点是能以低复杂度获得精确的方向估计，且适用范围广，可以适用于任意阵列、样本数极少等情况。在此基础上，对所提出的方向估计方法进行扩展和改进，提出了一种序贯方向跟踪算法。该方法能对每个快拍数据进行跟踪，并且计算复杂度低，因此能够跟踪移动速度较快的信号源。..3..针对ULA和UCA，分别提出了互耦未知时的阵列自校准方法，它们的特点是相比于现有的互耦自校准方法，能够以几乎相同的复杂度，获得更稳健可靠的自校准性能。..本研究成果主要可用于大规模MIMO阵列中的信道参数估计。