大规模MIMO无线传输理论与技术研究

With the increasing of the mobile data service, the scarcity of the spectral resource, and the rapid increasing of the energy consumption, it gives highly demand to improve the performance of beyond 4G mobile communication systems. Then, the innovation of the wireless transmission techniques are needed to solve the spectral efficiency and power efficiency, and achieve the targets of higher spectral efficiency and green wireless communications. When the base station are equipped with a very large number of antennas, massive MIMO are established, the spectral efficiency and power efficiency can be improved greatly. Then, massive MIMO techniques are received much attention in recent years. In this project, we will study the transmission theory and techniques of massive MIMO: firstly, using information theory, we will give the theoretical analysis of the spectral efficiency and power efficiency of massive MIMO, and review the impact of the system parameters and channel parameters on the system performance; secondly, we will study the downlink precoding and uplink joint receiver to overcome the complexity of the massive MIMO, we will also study the techniques to overcome the pilot contamination and inter-cell interference, and then the complete transmission theory and technique systems of the massive MIMO will be established. The results of this project will provide the theoretic foundation and technique support for beyond 4G mobile communication systems.

移动数据业务的快速增加、频谱资源的日趋紧缺以及能源消耗快速增长对4G之后的移动通信系统提出了更高的要求。为此，需要在无线传输技术方面进行创新，从根本上解决移动通信的频谱有效性和功率有效性问题，实现更高频谱效率和绿色无线通信的双重目标。通过在基站配置大规模天线阵列，形成大规模MIMO，可以大幅提升频谱利用率和功率效率，因此受到业界的关注。本项目将开展大规模MIMO传输理论与技术研究，运用信息论，对大规模MIMO蜂窝系统的频谱效率和功率效率进行理论分析，揭示系统参数和信道参数对系统性能的影响，克服大规模MIMO系统中下行预编码和上行联合接收的复杂性问题、导频污染和小区间干扰问题，形成较为完整的大规模MIMO传输理论与技术体系，为4G之后的移动通信系统提供理论基础和技术支撑。

本项目针对5G的关键技术大规模MIMO开展研究，主要研究成果包括：（1）运用信息理论，突破了导频污染下大规模MIMO蜂窝系统的频谱效率和功率效率理论，推导出系统的频谱效率及功率效率的闭合表达式，揭示出系统参数和信道参数对系统性能的影响；（2）突破了导频污染下大规模分布式MIMO系统的频谱效率分析，推导出系统频谱效率的闭合紧界；（3）提出了一种双向通信网络，通过分配上下行天线资源，解决业务不对称的问题，并分析了系统的频谱效率和能耗效率；（4）研究了大规模MIMO低复杂度的传输理论和方法，利用信道的稀疏特性，提出了BP迭代接收机，利用多项式展开，提出了低复杂度的迭代接收算法，大幅度降低了接收机复杂度并提高系统性能；（5）研究了大规模MIMO的信道信息获取理论和方法，提出了鲁棒的参数化信道估计方法和低复杂度的子空间跟踪算法，克服信道信息获取瓶颈；（6）突破了大规模MIMO的互易性获取理论和方法，从理论上分析了互易性对TDD系统性能的影响，揭示出互易性失配对系统性能的影响，提出了协作LS校准及其低复杂度实现的迭代坐标下降算法，利用天线间的互藕，提出了低复杂度的校准算法；（7）研究了大规模MIMO的协作传输，提出了协作导频分配，并提出了上下行统一实现的低复杂度协作传输方法，基于这些技术，构建了128天线的大规模分布式MIMO的试验验证平台，用通用服务器实时计算对系统进行了试验验证。发表论文39篇，申请专利9项，获WCSP 2016年最佳论文奖励，在分布式MIMO方面的工作获2014年度江苏省科学技术奖励一等奖。本项目还向国家IMT-2020提交提案11篇，为5G移动通信系统的标准化提供了技术支撑。