无线通信系统需要传输大量数据。人们使用手机上网。人们观看视频。人们发送照片。这些活动都需要数据。数据量越来越大。无线网络必须处理这些数据。无线网络的能力有限。无线电频谱是一种资源。这种资源非常宝贵。频谱资源几乎用完了。我们必须找到新方法。新方法要提高频谱效率。

多天线技术是一种好方法。多天线技术叫做MIMO。MIMO表示多输入多输出。天线数量越多越好。基站可以安装很多天线。手机也可以安装很多天线。多天线系统可以同时传输多个数据流。这就像增加很多条道路。交通拥堵会减少。数据传输速度会提高。系统容量会变大。用户感受会更好。

大规模MIMO是当前的研究热点。大规模MIMO使用很多天线。天线数量可以达到几十个。甚至可以达到几百个。基站配置天线阵列。天线阵列占据空间很小。天线阵列可以协同工作。大规模MIMO带来很多好处。系统频谱效率显著提升。系统能量效率也很高。信号覆盖更加均匀。用户干扰得到抑制。

大规模MIMO面临很多挑战。信道状态信息需要获取。基站必须知道信道情况。信道情况随时间变化。信道情况随频率变化。获取信道信息需要开销。导频信号用于估计信道。导频资源是有限的。导频污染问题很严重。相邻小区使用相同导频。信道估计就会不准确。系统性能就会下降。

预编码技术很重要。基站知道信道信息后。基站可以处理发射信号。这个处理过程叫做预编码。预编码可以降低用户干扰。预编码可以集中信号能量。信号能量指向目标用户。其他用户收到干扰很小。线性预编码方法常用。线性预编码计算简单。匹配滤波是一种方法。迫零是一种方法。最小均方误差是一种方法。每种方法有优点。每种方法有缺点。

信道模型需要准确建立。无线信号传播很复杂。信号从发射端到接收端。信号经过很多路径。信号遇到建筑物。信号遇到树木。信号遇到移动车辆。这些物体反射信号。这些物体散射信号。这些物体衍射信号。接收端收到多个副本。多个副本叠加在一起。信号强度发生起伏。这种现象叫做衰落。空间信道模型考虑天线间距。空间信道模型考虑到达角。空间信道模型考虑离开角。

信号检测技术很关键。接收端收到混合信号。接收端需要分离数据流。检测算法影响性能。最优检测算法复杂度太高。次优检测算法需要研究。线性检测器应用广泛。线性检测器计算量小。性能损失可以接受。非线性检测器性能更好。非线性检测器复杂度高。实际系统需要折中。

硬件设计遇到困难。天线数量非常多。每个天线需要射频链路。每个射频链路包含功率放大器。每个射频链路包含数模转换器。每个射频链路包含滤波器。硬件成本非常高。硬件功耗非常大。系统体积很难缩小。研究人员寻找解决方案。研究人员使用低成本器件。研究人员使用新型架构。混合预编码是一种思路。数字域处理部分数据。模拟域处理部分数据。硬件复杂度降低很多。

波束管理是重要操作。基站发射波束指向用户。用户移动位置变化。波束必须跟随用户。波束需要调整方向。波束需要调整宽度。这个过程需要快速完成。这个过程需要准确完成。初始波束对准需要时间。波束追踪必须持续进行。毫米波频段尤其重要。毫米波频段信号衰减大。波束成形提供高增益。波束成形补偿路径损耗。

资源分配需要优化。系统资源包括功率。系统资源包括时隙。系统资源包括子载波。基站服务多个用户。用户需求不同。用户信道条件不同。资源分配决定系统公平性。资源分配决定系统总速率。优化问题很难求解。数学工具提供帮助。凸优化是一种工具。拉格朗日方法是一种工具。启发式算法是一种工具。

系统需要实际测试。理论分析存在假设。仿真验证补充分析。仿真平台模拟无线环境。仿真平台模拟信道特性。仿真平台模拟用户行为。仿真结果指导设计。现场测试更加真实。现场测试部署实验系统。现场测试收集实测数据。实测数据对比仿真结果。实测数据验证算法效果。

人工智能技术开始应用。无线环境非常复杂。传统模型有时不准确。机器学习擅长处理数据。神经网络可以学习特征。深度学习可以建立映射。信道预测可以使用人工智能。信号检测可以使用人工智能。资源管理可以使用人工智能。人工智能提高系统智能性。人工智能减少人工设计。

安全通信受到重视。无线信号在空中传播。非法用户可能窃听。物理层安全技术利用信道特性。合法信道与窃听信道不同。基站设计发射信号。窃听者无法解调信息。安全性能得到提升。大规模MIMO提供更多自由度。安全设计空间更大。

能量收集技术有意义。无线设备需要供电。电池容量有限。射频信号携带能量。接收端可以收集能量。收集的能量供给电路。这延长设备工作时间。信息与能量同时传输。系统设计需要平衡。速率与能量存在折中。

标准化工作持续推进。第五代移动通信已经商用。第五代移动通信采用大规模MIMO。第三代合作伙伴制定标准。标准确保设备互联互通。产业界按照标准生产。学术界研究下一代技术。第六代移动通信开始探索。太赫兹频段可能使用。智能超表面可能使用。集成通信与感知可能实现。

研究工作非常具体。我们选择一种预编码算法。这种算法降低计算复杂度。我们分析这种算法的性能。我们推导信干噪比表达式。我们考虑信道估计误差。我们考虑量化误差。我们建立数学模型。我们进行计算机仿真。仿真设置天线数量。仿真设置用户数量。仿真设置信噪比范围。仿真得到曲线图。曲线图比较不同算法。我们的算法有优势。我们的算法复杂度低。我们的算法性能好。

实验部分需要完成。我们搭建小规模实验平台。实验平台使用软件无线电设备。实验平台模拟基站。实验平台模拟用户终端。我们编写程序实现算法。我们配置系统参数。我们测量实际吞吐量。我们记录误码率数据。实验结果与仿真结果一致。实验结果证明方案有效。

论文写作记录这些工作。论文第一章介绍背景。论文第二章介绍基础知识。论文第三章提出新方法。论文第四章分析性能。论文第五章描述实验。论文第六章列出结论。参考文献排在最后。致谢表达感谢。附录包含补充材料。

研究生从事这项研究。研究过程遇到困难。研究过程需要耐心。研究过程需要思考。实验结果让人高兴。论文完成带来收获。知识积累很重要。能力提升很重要。这些准备用于未来工作。通信技术不断发展。社会生活不断改变。我们的研究贡献力量。