大规模MIMO传输理论与关键技术

4G无线通信发展的历程表明多天线技术通过天线数目的增加已经给系统带来巨大的性能增益。近年来，大规模多天线技术在传统多天线技术的基础上进一步得到发展，已经成为5G无线通信领域的关键技术之一，吸引学术界和工业界大量的研究目光。本书将着重系统地介绍大规模多天线技术的理论与应用技术，结合靠前学术界和标准化组织的具体研究进展，对大规模多天线的理论，算法和系统设计等进行很前沿的技术分析。内容主要包括大规模天线技术发展现状、大规模多天线信道模型、大规模多天线系统容量分析、大规模多天线空分多址传输、大规模多天线多用户调度技术、大规模多天线信道估计与导频设计、大规模多天线链路自适应传输技术、大规模多天线高性能接收技术、系统级仿真与原型验证平台设计和应用等。

金石，东南大学教授，国家自然科学基金杰出青年基金获得者。2007年获得东南大学通信与信息系统专业博士学位，同年起在东南大学移动通信国家重点实验室工作，2007年4月至2009年10月赴英国伦敦大学学院电气与电子工程系进行博士后研究。目前主要研究方向为5G/4G移动通信理论与关键技术、空时无线通信理论与技术、现代信号处理及其在移动通信中应用。

第1章 Chapter 1 MIMO无线通信系统发展 1
1.1 MIMO无线通信系统发展简史 2
1.2 大规模MIMO系统特征及当前研究进展 4
1.2.1 大规模MIMO系统研究需求 4
1.2.2 基本原理及系统特征 4
1.2.3 主要研究内容 6
1.2.4 研究现状 7
1.3 MIMO无线衰落信道的基本特征 11
1.4 大规模MIMO信道特点 16
1.4.1 大规模MIMO信道的最佳传播条件 16
1.4.2 大规模MIMO信道的非平稳性 18
1.4.3 大规模MIMO阵列组态及球面波前 18
1.4.4 大规模MIMO用户信道建模 19
第2章 Chapter 2 大规模MIMO系统信息论基础及信道容量分析 21
2.1 大规模MIMO系统信息论基础 22
2.1.1 MIMO技术 22
2.1.2 多用户MIMO技术 23
2.1.3 大规模MIMO技术 25
2.2 大规模MIMO系统模型 26
2.2.1 六边形小区 26
2.2.2 正交频分复用 26
2.2.3 时分双工 27
2.2.4 传输模型 27
2.3 导频污染形成机理 28
2.3.1 反向链路导频传输 28
2.3.2 导频污染 29
2.4 大规模MIMO信道容量分析 30
2.4.1 反向链路数据传输 30
2.4.2 前向链路数据传输 32
2.5 本章小结 34
第3章 Chapter 3 大规模MIMO空分多址传输台 35
3.1 多用户MIMO传输基本原理 36
3.1.1 多用户信道 36
3.1.2 多址接入 36
3.1.3 多用户MIMO系统的速率域 38
3.2 多用户MIMO下行预编码技术 40
3.2.1 预编码基本原理 40
3.2.2 ZF预编码 41
3.2.3 MMSE预编码 41
3.3 大规模MIMO空分多址传输 42
3.4 联合空分复用传输技术 43
3.4.1 系统模型 43
3.4.2 JSDM方案 44
3.4.3 JSDM性能 46
3.4.4 性能仿真 47
3.5 大规模MIMO统计空分多址传输 49
3.5.1 系统模型 49
3.5.2 空间信道特征 50
3.5.3 波束域下行最优传输理论 54
3.5.4 MB-SDMA传输方案 56
3.6 本章小结 58
第4章 Chapter 4 大规模MIMO多用户调度技术台 59
4.1 多用户MIMO调度基本原理 60
4.1.1 多用户MIMO系统模型 60
4.1.2 启发式搜索调度算法概述 62
4.1.3 基于零空间投影的调度算法 64
4.1.4 半正交用户选择算法 65
4.1.5 基于树形搜索的调度算法 66
4.2 JSDM传输下大规模MIMO多用户调度 68
4.2.1 用户分组算法 68
4.2.2 组内用户调度算法 74
4.3 统计大规模MIMO多用户调度 76
4.3.1 多用户和速率及其在线估计 76
4.3.2 用户调度算法 79
4.4 大规模MIMO多用户调度技术性能评估 82
4.4.1 JSDM方案中多用户调度性能 82
4.4.2 统计大规模MIMO多用户调度性能 84
第5章 Chapter 5 大规模MIMO信道估计与导频设计 91
5.1 大规模MIMO信道估计与导频设计基本原理 92
5.1.1 信道估计原理 92
5.1.2 导频设计基本原理 93
5.2 低复杂度的大规模MIMO信道估计 93
5.2.1 传统的信道估计 94
5.2.2 低复杂度的信道估计 95
5.3 基于压缩感知的大规模MIMO信道估计 98
5.3.1 压缩感知与信道估计 98
5.3.2 压缩感知信道重建方法 99
5.3.3 信道反馈与压缩感知 100
5.4 导频设计与导频再用 101
5.4.1 导频再用与导频污染 101
5.4.2 导频再用与导频分配 102
5.5 性能评估 105
5.5.1 信道估计误差 106
5.5.2 传输速率 106
5.5.3 频谱效率 108
第6章 Chapter 6 大规模多天线接收机 109
6.1 系统模型 111
6.2 信号解调 111
6.2.1 ZF解调器 112
6.2.2 LMMSE解调器 112
6.2.3 近似信息传递解调器 112
6.3 信道估计 118
6.3.1 信道特性 118
6.3.2 贝叶斯信道估计 119
6.4 AMP算法性能评估 123
6.4.1 信号解调 123
6.4.2 信道估计 125
6.5 本章小结 128
第7章 Chapter 7 毫米波大规模MIMO技术 129
7.1 毫米波信道模型 130
7.1.1 可分辨路径集合 130
7.1.2 路径损耗 131
7.1.3 角度扩散 131
7.1.4 阻塞概率 132
7.1.5 小尺度衰落 133
7.1.6 简化模型 133
7.2 结合波分多址与干扰抑制的多用户传输方案 134
7.2.1 系统模型 135
7.2.2 波束域分析 136
7.2.3 多用户传输方案设计 139
7.2.4 仿真结果 145
7.3 本章小结 148
第8章 Chapter 8 大规模MIMO原型验证平台设计和应用 149
8.1 Argos原型平台 150
8.2 NI原型平台 152
8.2.1 NI的大规模MIMO应用程序框架 152
8.2.2 128天线大规模MIMO原型验证平台 155
8.2.3 IO流速率分析 159
8.2.4 系统的同步 161
8.2.5 系统实物图和测试结果 163
第9章 Chapter 9 大规模MIMO技术最新进展 169
9.1 低成本大规模MIMO技术 170
9.2 低精度量化研究现状 172
9.3 量化OFDM技术[175] 174
9.3.1 系统模型 174
9.3.2 MAP信道估计 176
9.3.3 MMSE数据检测 176
9.4 大规模MIMO系统的混合ADC设计方案 177
9.4.1 系统模型 178
9.4.2 MIMO检测器 180
9.4.3 混合ADC设计方案 185
9.4.4 仿真结果与分析 187
9.5 大规模MIMO系统中的多水平低位数ADC应用方案 194
9.5.1 系统模型 195
9.5.2 状态演化方程 196
9.5.3 多水平低位数ADC替换高位数ADC 200
9.5.4 仿真结果与分析 203
附录A Appendix A 松弛置信度传播算法推导 207
附录B Appendix B AMP算法推导 213
附录C Appendix C 缩略语 217
附录D Appendix D 缩略语 221
参考文献 229