大規(guī)模MIMO的頻譜效率和能量效率理論及系統(tǒng)設計研究.pdf

1、隨著第五代移動通信(5G，5th Generation Mobile Communication System)逐漸完成技術方案驗證，新一代通信系統(tǒng)的時代到來了。其中，大規(guī)模多入多出(Massive MIMO或者Large-scale MIMO)被視為5G的關鍵技術之一，受到工業(yè)界和學術界越來越多的重視。通過在基站端或用戶端部署較大規(guī)模的天線陣列，大規(guī)模MIMO可以充分利用空問資源、顯著增強空間分辨率，大幅提升系統(tǒng)頻譜效率和能量效率。然

2、而在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，導頻資源的不足引起的導頻污染、現有信道估計技術精度的限制、時分雙工(TDD，Time Division Duplex)系統(tǒng)中同步信號的開銷等因素使得頻譜效率和能量效率的進一步提升面臨種種挑戰(zhàn)。本文以大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率為研究目標，進行了系統(tǒng)的性能分析，求出了最大化頻譜效率和能量效率時系統(tǒng)關鍵參數的設置，為大規(guī)模MIMO的建設和部署提供了有價值的參考依據。同時，本文提出了應用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

3、的導頻數據聯合處理技術、網絡全雙工概念和分布式天線選擇策略，進一步提升了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。
　　首先，分析存在導頻污染時，多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜效率與能量效率性能，并根據二者的閉合表達式對系統(tǒng)參數進行優(yōu)化。采用多小區(qū)聯合的最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean Square Error)信道估計，定義了估計信道的等效表達形式，采用多用戶聯合MMSE檢測，推導出上行和速率的下界表達式。進

4、一步，利用大維隨機矩陣的性質、凸函數的性質、次序統(tǒng)計理論等數學工具，得出了頻譜效率下界的閉合近似表達式。該閉合表達式與傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO頻譜效率的漸近表達式不同，其值不僅與信道隨機的小尺度衰落無關，也與用戶隨機位置的大尺度衰落無關，僅依賴于系統(tǒng)已知的參量，包括小區(qū)的半徑、小區(qū)的數量、兩小區(qū)之間的距離等。在此基礎上求出了頻譜效率最大時系統(tǒng)的用戶數及導頻數據功率比。同時，對實際系統(tǒng)的功耗進行建模，針對頻譜效率和能量效率的折中關系，推導了能

5、效最優(yōu)的導頻數據功率比。本章求出的頻譜效率閉合表達式與用戶的具體位置無關，可以直觀地展示系統(tǒng)各參數對頻譜效率的影響，使其物理意義更加明確，同時給出了最優(yōu)的系統(tǒng)參數（用戶數量、天線數量、導頻數據功率比）值，為大規(guī)模MIMO的具體建設與性能優(yōu)化提供了理論依據。
　　其次，研究萊斯衰落信道下大規(guī)模MIMO的導頻數據聯合處理的頻譜效率。充分利用數據傳輸過程中接收信號攜帶的信道信息，在接收到完整的導頻信號和數據信號后，將二者進行聯合處理以提

6、高系統(tǒng)的頻譜效率。根據互信息與信息熵的關系，將聯合處理的可達速率下界拆分為物理意義明確的三部分:已知完美信道狀態(tài)信息的系統(tǒng)容量、僅已知導頻序列時信道估計的不確定性及導頻數據聯合處理時信道估計的不確定性。假設萊斯衰落中的視距傳輸部分為已知的，推導出頻譜效率下界的閉合表達式。仿真結果表明，相比于僅依賴導頻信號進行信道估計，導頻數據聯合處理應用于大規(guī)模MIMO時，具有較高的頻譜效率。在聯合處理中，增加導頻長度使得導頻開銷增大，頻譜效率隨之持續(xù)

7、減小。另一方面，可以增加塊衰落信道的長度以提高導頻數據聯合處理的頻譜效率性能。
　　再次，提出網絡全雙工大規(guī)模MIMO的概念并對其頻譜效率和能量效率進行分析。首先，闡述網絡全雙工的定義，即從整個網絡的角度考慮系統(tǒng)的全雙工模式，系統(tǒng)中上下行用戶同時分別與不同的基站進行通信，基站之間不需要嚴格的同步信號，使通信網絡的組成更加靈活。同時，可以通過調節(jié)上下行基站的數量，解決越來越嚴重的業(yè)務不對稱問題。針對最大比發(fā)送(MRT，Maximum

8、 Ratio Transmission)預編碼和最大比合并(MRC，Maximum Ratio Combining)接收機，推導出網絡全雙工大規(guī)模MIMO上下行瞬時及遍歷和速率的漸近表達式?；跓o源光網絡的回傳鏈路，提出網絡全雙工系統(tǒng)的功率消耗模型，并分析了系統(tǒng)能量效率的性質。從理論上證明了一部分下行基站對上行基站的干擾隨著天線數量趨于無窮而消失，且通過仿真可知，與TDD系統(tǒng)相比，網絡全雙工系統(tǒng)頻譜效率的優(yōu)勢隨著天線數量的增加而更加明顯

9、，為網絡全雙工在大規(guī)模MIMO中的應用提供了依據。
　　最后，以最大化頻譜效率為目標，研究網絡全雙工大規(guī)模MIMO的天線分組與選擇算法。首先給出應用于網絡全雙工分布式天線系統(tǒng)的一種改進式C-RAN（Cloud Radio Access Network）結構，通過引入兩種選擇開關，可靈活地決定該天線的工作模式。引入無干擾的理想狀態(tài)接收信噪比的閾值，確定用戶的初始可選天線集合，降低了目標問題的實現復雜度。將系統(tǒng)中的多種干擾進行分類，根