多天线时频双选信道下基于多维度联合稀疏的信道跟踪理论研究

This project focuses on MIMO doubly selective fading channel scenarios. Based on our previous achievements on the channel tracking as well as sparse signal processing, we will do research on the analysis of the sparisty of doubly selective channels, the multidimensional joint sparse representation of signal, and the applications of generalized basis expansion model. Combined with the investigation of the group RIP condition, we will explore the feedback mechansism of sparse prior information, carry out the nonlinear refinement process in terms of DPSSs, and design high accurate channel tracking method based on generalized distributed compressive sensing theory. The proposed scheme can significantly improve spectrum efficiency of broadband wireless communication systems over MIMO doubly selective channels. We try to make breakthrough over space-time-frequency multidimensional sparse signal processing and verify its effectiveness under high mobility channel scenarios. The proposed scheme affords a new approach to improve the transmission date rate of commu nication systems over MIMO doubly selective channels, and is of high theoretical and practical values.

本课题针对典型的多天线时频双重选择性衰落信道场景，在我们对稀疏信号处理以及信道跟踪和估计理论的研究成果基础上，充分研究多天线时频双选信道稀疏机理特性，综合研究发掘多维度信号联合稀疏性与广义基函数的应用，突破信道表征稀疏性受限；结合证明测量矩阵群限制等距(RIP)条件的转化关系，探索稀疏先验信息反馈机制，以及离散椭球序列非线性精细估计等方法，建立广义分布式压缩感知信道跟踪理论体系架构，提高宽带通信系统在多天线时频双选信道下的频谱效率。拟在空、时、频多维稀疏信号联合处理理论方面取得技术突破，并在高铁移动信道中进行验证，课题为宽带通信系统在多天线时频双选信道下、传输速率理论峰值达到或接近频率选择性信道环境下的传输速率，提供一条新的技术思路和途径，课题具有较高的研究价值和实际意义。

多天线技术利用信道在空间的自由度提高系统频谱效率和传输可靠性。时间频率双重选择性衰落信道在高铁、水声通信、多小区基站协作等通信场景广泛存在。然而，面向多天线时频双重选择性衰落信道场景，信道估计面临巨大挑战：大量待估计信道参数将导致巨大的导频开销，载波间干扰和天线间干扰严重损害估计精度。针对上述问题，课题组展开了多维度联合稀疏的信道跟踪理论研究。主要研究成果如下：.1）多维度联合稀疏化信息表征理论研究。基于多OFDM符号在延时域上的稀疏性，证明了多符号BEM系数具有块联合稀疏特性；发掘多天线场景中相邻天线传播时延特性相似的特点，提出广义空间基扩展模型对空间相关性建模，构造冗余基函数提高角度的分辨率，从时间-时延-空间三维联合分析证明多天线信道参数具有准块联合稀疏特性。.2）广义分布式压缩感知信道跟踪理论和性能分析。将多符号多天线信道估计建模为无载波间干扰的结构化分布式压缩感知问题，分析证明了多个压缩感知问题具有相同的测量矩阵，提出DSO、BDSO等算法优化空时频三维导频图案，提出BSOMP、QBSO、adaptive-QBSO等贪婪重构算法求解稀疏系数，利用线性光滑处理提高参数估计准确度，理论推导了克拉美罗下限。仿真结果表明，对于NMSE性能，相比传统单符号估计方案，所提多符号方案在降低3.9%的导频开销下能获得3dB的SNR增益；相比传统多天线估计方案，所提方案能获得5dB以上的SNR增益。.3）多天线干扰消除和均衡技术研究。分析基于BEM建模的信道矩阵的结构特征，提出混合HIC干扰消除均衡方案，通过动态调整阈值实现复杂度和性能的折中。在此基础上，分析空间调制MIMO系统中信号的稀疏性，证明了测量矩阵分解后的子矩阵满足RIP特征，利用压缩感知结合迭代过程消除载波间干扰。仿真结果表明，相比传统方案，所提算法克服了误码平层，将BER降低了一个量级。..此外，课题组扩展研究了压缩感知在混合预编码、传感网等领域的应用，并搭建了一套支持高铁场景车地通信的全链路仿真平台。本课题所提方案能有效保证时频双选场景的通信质量，加快推动多天线技术在高铁等场景中的部署，同时推动多维稀疏信号联合处理技术的进一步发展。