大規(guī)模MIMO-OFDM空時(shí)共同稀疏性分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u4924大規(guī)模MIMO-OFDM空時(shí)共同稀疏性分析概述 1306901.1大規(guī)模MIMO信道的空間共同稀疏性 199011.2大規(guī)模MIMO信道的時(shí)間相關(guān)性 376831.3大規(guī)模MIMO雙工模式 3大規(guī)?；腗IMO通信系統(tǒng)主是通過在大型無線電發(fā)射基站一側(cè)安置大量的發(fā)射天線，同時(shí)系統(tǒng)可以充分利用單個(gè)接收天線，為盡可能多的用戶提供通信服務(wù)，以便更好地的實(shí)現(xiàn)對(duì)日益寶貴的無線頻譜和其他能源資源的利用，該天線陣列通信技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟并成為5G未來幾年內(nèi)快速發(fā)展的一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，需要獲得許多精確的信息例如對(duì)信號(hào)的檢測信息、資源的分配管理信息等，只有這樣才能獲得準(zhǔn)確的信道估計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)。因此杰出的信道估計(jì)方案在大規(guī)模MIMO的地位將會(huì)越重要。1.1大規(guī)模MIMO信道的空間共同稀疏性在常規(guī)的傳播環(huán)境之中，會(huì)存在頻率選擇性衰落的現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)點(diǎn)，目前把大規(guī)模MIMO技術(shù)與OFDM系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建起大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)。而在該系統(tǒng)的實(shí)際傳輸環(huán)境中，大量的障礙物無規(guī)則地存在于環(huán)境之中，形成了具有多徑特征的瑞利（rayleigh）信道。無線通訊信道的能量主要是集中于信道脈沖響應(yīng)極少的分量上，使得用戶端和基站終端自然地形成稀疏的通訊信道。同時(shí)，當(dāng)經(jīng)過散射體的信號(hào)到達(dá)用戶端的接收天線上時(shí)，能夠清楚地發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)所經(jīng)過的散射體之間是非常相似的，可以說幾乎完全相同。即用戶端的單天線和基站端的全部天線都必須具備空間公共的稀疏性。除此之外，因?yàn)槁窂竭t延的變化速率相比于信道有關(guān)的路徑增益要變化緩慢很多，所以在一定的時(shí)間內(nèi)，這種稀疏性基本上都是可以保持不變的，形成了時(shí)間相關(guān)特性。圖1.4表示的是一個(gè)小區(qū)內(nèi)的下行的大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)，這其中就已經(jīng)呈現(xiàn)出了空間共同的稀疏性，這主要是由于多徑效應(yīng)、天線本身的物理特性以及無線數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜的環(huán)境等原因?qū)е碌?。由于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性，其中一個(gè)環(huán)境中所存在的散射體使得信號(hào)即便從一根發(fā)射天線被發(fā)射出來，然而當(dāng)傳輸?shù)搅硪桓邮仗炀€之間卻形成了許許多多的路徑，即發(fā)生了多徑效應(yīng)。不僅信號(hào)路徑十分的復(fù)雜，從同一根發(fā)射天線傳輸?shù)竭_(dá)另一根接收天線所需要時(shí)間也都是不相同的。因此，少數(shù)多徑的分量占據(jù)了整個(gè)信道能量的絕大部分，即整個(gè)信道的能量并非均勻地分布到整個(gè)信道的所有的抽頭上，這樣表現(xiàn)出了稀疏性。一般情況下把大規(guī)模MIMO的第m根發(fā)射天線和一個(gè)單接收天線的用戶之間形成的CIR表示為 （1.13）式子中，r代表第r個(gè)OFDM符號(hào)，L代表等效的信道長度，的支撐集可以用來表示，用代表噪聲最小值。稀疏程度實(shí)際情況非常復(fù)雜，有很多因素都會(huì)影響到這個(gè)參數(shù),通常情況下。一般在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站的接收端天線分布一般十分密集，天線之間的距離相較于傳輸距離是很小的，甚至天線之間的距離是可以被忽略不計(jì)。除此以外，用戶端的接收天線與基站發(fā)射端的發(fā)射天線之間的傳輸信道中還有著公共散射體。所以，發(fā)射端的發(fā)射天線與用戶端的接收天線性質(zhì)十分相似，兩者的路徑遲延基本一樣，各個(gè)發(fā)射天線也有著相似的稀疏特性?？梢钥闯烧麄€(gè)信道中都擁有的共同稀疏性，意思是對(duì)第r個(gè)OFDM符號(hào)，發(fā)射天線稀疏性基本上是一樣的，表達(dá)為： （1.14）圖1.4大規(guī)模MIMO情景模擬1.2大規(guī)模MIMO信道的時(shí)間相關(guān)性不僅僅局限于空間，對(duì)于時(shí)間來說，信道的路徑增益速度變化緩慢，通常在很短的時(shí)間內(nèi)這兩者的狀態(tài)也呈現(xiàn)出相關(guān)性。從另一個(gè)角度來講，雖然不同OFDM符號(hào)之間的路徑增益差異比較大，如果是連續(xù)OFDM符號(hào)，那么路徑延遲是一個(gè)定量。在一個(gè)時(shí)變的信道中，當(dāng)通道延遲變化的時(shí)間增大時(shí)，系統(tǒng)傳輸?shù)膸拰?huì)減小，反之亦然。對(duì)于通道增益的相干時(shí)間則與系統(tǒng)傳輸?shù)妮d波頻率呈現(xiàn)反比例關(guān)系。換句話說，連續(xù)的個(gè)正交頻分復(fù)用符號(hào)的公共稀疏度可以在相干路徑的增益時(shí)間內(nèi)一直保持恒定，因兩個(gè)路徑的延遲幾乎都是恒定的，如圖1.5所示： （1.15）圖1.5連續(xù)不同OFDM信號(hào)傳播情景綜上，將空間共同的稀疏性和時(shí)間的相關(guān)特性綜合起來稱為時(shí)空共同稀疏性。1.3大規(guī)模MIMO雙工模式大規(guī)模MIMO目前主要擁有兩種雙工運(yùn)行的模式，分別是從時(shí)間上定義的時(shí)分雙工TDDADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Marzetta</Author><Year>2006</Year><RecNum>42</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[23]</style></DisplayText><record><rec-number>42</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619496981">42</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>T.L.Marzetta</author></authors></contributors><titles><title>HowMuchTrainingisRequiredforMultiuserMimo?</title><secondary-title>2006FortiethAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers</secondary-title><alt-title>2006FortiethAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers</alt-title></titles><pages>359-363</pages><dates><year>2006</year><pub-dates><date>29Oct.-1Nov.2006</date></pub-dates></dates><isbn>1058-6393</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1109/ACSSC.2006.354768</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[23]以及按頻率上定義的頻分雙工FDD兩種模式，F(xiàn)DD模式是指系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)時(shí)所用頻率和接收是所使用的頻率不同，換句話說是上行頻率與下行頻率之間有間隙，比如CDMA等多種系統(tǒng)都是很經(jīng)典的FDD雙工作業(yè)模式系統(tǒng)；TDD模式的特點(diǎn)即系統(tǒng)發(fā)送所使用的頻率和接收端所使用的頻率一樣，上行鏈路中的數(shù)據(jù)和下行鏈路中數(shù)據(jù)的傳輸可以交錯(cuò)開來，換句話來說上行鏈路和下行鏈路中的數(shù)據(jù)可以在不同的時(shí)隙進(jìn)行傳輸，以避免上行鏈路和下行鏈路之間的干擾。FDD與TDD主要區(qū)別就在于使用了不同的雙工模式，它們兩者的優(yōu)勢和缺點(diǎn)也是比較的明顯。（1）在我們采用TDD技術(shù)的時(shí)候，如果基站與移動(dòng)平臺(tái)之間的上行鏈路和下行鏈路之間的時(shí)間間隔并不是很大，相比于信道相干時(shí)間還是要小，那么就可以相對(duì)簡單地依據(jù)另外一方的信號(hào)來進(jìn)行對(duì)該信道特征的估計(jì)。相對(duì)于目前比較經(jīng)典的FDD技術(shù)，上行與下行之間的頻率間距一般來說比傳統(tǒng)信道的相干帶寬要大的多，所以很難通過其中的上行信號(hào)去準(zhǔn)確地估計(jì)出其中的下行信號(hào)，同樣的也很難通過其中的下行信號(hào)來準(zhǔn)確地估計(jì)出其中的上行信號(hào);這種明顯的特征讓TDD雙工模式在很多方面都占有了上風(fēng)，比如關(guān)于功率的控制程序還有智能天線技術(shù)的使用。另外由于上行與下行之間存在著間隔，TDD雙工系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域的半徑比較小，是明顯要小于FDD雙工模式建成的基站。（2）TDD是可以較為靈巧地使上行和下行之間正常轉(zhuǎn)換而且不出錯(cuò)，目前存在的不對(duì)稱的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)就是得益于這一點(diǎn)。然而，該過程需要相鄰的基站的協(xié)助。（3）與FDD相比，TDD可以選擇采用分段的頻帶的方法，其因?yàn)樯闲墟溌泛拖滦墟溌范际且蕾囉谝欢〞r(shí)間，不必再需要采用帶寬對(duì)稱的頻帶。（4）TDD雙工模式的技術(shù)實(shí)現(xiàn)并非需要一個(gè)收發(fā)隔離器，反而只是僅僅需要一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)。（5）移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度被限制在了一定范圍。所以當(dāng)一個(gè)物體短時(shí)間內(nèi)位置變化過快，就會(huì)引起快速的衰落（快衰落），