面向6G的低开销先进接收机关键技术研究

• 作 者: 王瀚庆
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 低精度ADC 超大规模MIMO 分布式接收机 OFDM DMA EP GTurbo

为适应持续增长的无线业务需求,第六代移动通信系统（6G,6th Generation Mobile Communication Systems）需支持太比特每秒的高速数据传输.进一步增大天线阵列规模、拓展传输带宽仍是实现6G愿景的关键技术手段。在基于大阵列与大带宽的无线接收机的设计与实现中,若采用传统纯数字、高精度硬件架构,则面临产生海量基带数据、硬件成本高昂、系统功耗以及计算复杂度巨大等实际挑战,因此开发低开销高效能接收机是6G中亟待研究的关键问题。低精度量化接收机、混合模数接收机以及分布式接收机是颇具潜力的低开销接收机架构,本论文针对上述低开销接收机架构下信号检测、信道估计以及混合模数线性接收机设计等关键问题展开研究。首先,研究基于低精度模数转换器（ADC,Analog-to-Digital Converter）的正交频分扶复用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统信号检测问题。基于广义Turbo（GTurbo,Generalized Turbo）算法框架提出迭代检测算法,推导其状态演化方程,由此得出GTurbo信号检测算法误符号率性能的解析表达式,根据状态演化方程,提出子载波功率分配方案,以最小化平均误符号率,通过对比GTurbo检测器的状态演化方程与平均自由熵鞍点迭代方程,证明GTurbo检测器在渐近情况下可实现最小均方误差（MMSE,Minimum Mean Square Error）性能。仿真结果表明:状态演化方程可以提供准确的性能预测;仅3比特量化情况下,GTurbo检测器与功率分配方法相结合实现的误比特率性能即接近于无穷精度量化情况下OFDM系统的误比特率性能。然后,进一步考虑量化OFDM接收机基带处理整体架构设计以及原型验证系统实现。将适用于高精度OFDM系统的LMMSE信道估计器嵌入GTurbo算法架构中,导出其相应的外信息保证算法收敛,实现GTurbo算法框架的扩展,提出量化OFDM信道估计算法,设计自动增益控制,噪声功率估计和帧同步的可行方案,并将基于GTurbo的信号检测与信道估计算法与之相结合,提出量化OFDM接收机基带处理架构,在此基础上搭建原型验证系统,并通过空口实验验证1比特量化情况下正交相移键控（QPSK,Quadrature Phase Shift Keying）传输与2比特量化情况下的16正交振幅调制（QAM,Quadrature Amplitude Modulation）传输的可靠性。实验结果表明:上述两种情况下,当信噪比高于约8 d B时,可实现无差错传输。接着,研究基于动态超表面阵列（DMA,Dynamic Metasurface Array）的量化比特数受限多用户MIMO-OFDM上行接收机设计问题。将DMA超材料单元频率响应模型整合到多用户多输入多输出（MIMO,Multiple Input Multiple Output）-OFDM系统模型中得出输入-输出关系数学模型,该模型为一频率相关模数混合接收机结构,基于任务型量化信号处理架构对低精度ADC引起的量化误差进行线性近似,进而导出给定DMA配置的情况下均方误差的近似表达式,在此基础上根据矩阵二次变换并通过适当的矩阵运算将OFDM信号恢复问题转化为约束二次规划问题,根据矩阵分式规划原理,考虑不同的DMA权值类型,提出相应的交替优化算法。仿真结果表明:基于DMA的接收机可实现准确的OFDM信号恢复,因此DMA在实现低成本、低功耗的高性能大规模MIMO-OFDM方面颇具潜力。最后,研究超大规模MIMO系统分布式信号检测设计问题。提出将来自阵列中各不相交的天线子集,即子阵列的基带数据分配到由中央处理单元协调的并行处理单元中,通过向量值因子图对此场景的后验概率进行描述,并根据期望传播（EP,Expectation Propagation）原理对因子图上不同节点之间传递的消息进行迭代计算与更新,导出分布式EP迭代检测算法,分布式EP检测器的收敛性以及渐近MMSE性能通过理论分析得以验证,为使分布式EP检测器在实际通信系统中更易实现,提出进一步降低计算复杂度,以及并行子阵列与中央处理单元之间的信息交换开销的可行方案。仿真结果表明:分布式EP检测器经五次以内的迭代即可收敛,且其性能优于现有分布式检测器。