大規(guī)模MIMO的頻譜效率和能量效率理論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著第五代移動(dòng)通信(5G，5th Generation Mobile Communication System)逐漸完成技術(shù)方案驗(yàn)證，新一代通信系統(tǒng)的時(shí)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(guān)鍵技術(shù)之一，受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)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(qiáng)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(dǎo)頻資源的不足引起的導(dǎo)頻污染、現(xiàn)有信道估計(jì)技術(shù)精度的限制、時(shí)分雙工(TDD，Time Division Duplex)系統(tǒng)中同步信號(hào)的開銷等因素使得頻譜效率和能量效率的進(jìn)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(biāo)，進(jìn)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(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，為大規(guī)模MIMO的建設(shè)和部署提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。同時(shí)，本文提出了應(yīng)用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

3、的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)聯(lián)合處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)全雙工概念和分布式天線選擇策略，進(jìn)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(dǎo)頻污染時(shí)，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(jù)二者的閉合表達(dá)式對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用多小區(qū)聯(lián)合的最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean Square Error)信道估計(jì)，定義了估計(jì)信道的等效表達(dá)形式，采用多用戶聯(lián)合MMSE檢測(cè)，推導(dǎo)出上行和速率的下界表達(dá)式。進(jìn)

4、一步，利用大維隨機(jī)矩陣的性質(zhì)、凸函數(shù)的性質(zhì)、次序統(tǒng)計(jì)理論等數(shù)學(xué)工具，得出了頻譜效率下界的閉合近似表達(dá)式。該閉合表達(dá)式與傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO頻譜效率的漸近表達(dá)式不同，其值不僅與信道隨機(jī)的小尺度衰落無關(guān)，也與用戶隨機(jī)位置的大尺度衰落無關(guān)，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(shù)量、兩小區(qū)之間的距離等。在此基礎(chǔ)上求出了頻譜效率最大時(shí)系統(tǒng)的用戶數(shù)及導(dǎo)頻數(shù)據(jù)功率比。同時(shí)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的功耗進(jìn)行建模，針對(duì)頻譜效率和能量效率的折中關(guān)系，推導(dǎo)了能

5、效最優(yōu)的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)功率比。本章求出的頻譜效率閉合表達(dá)式與用戶的具體位置無關(guān)，可以直觀地展示系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)頻譜效率的影響，使其物理意義更加明確，同時(shí)給出了最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)（用戶數(shù)量、天線數(shù)量、導(dǎo)頻數(shù)據(jù)功率比）值，為大規(guī)模MIMO的具體建設(shè)與性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
　　其次，研究萊斯衰落信道下大規(guī)模MIMO的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)聯(lián)合處理的頻譜效率。充分利用數(shù)據(jù)傳輸過程中接收信號(hào)攜帶的信道信息，在接收到完整的導(dǎo)頻信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)后，將二者進(jìn)行聯(lián)合處理以提

6、高系統(tǒng)的頻譜效率。根據(jù)互信息與信息熵的關(guān)系，將聯(lián)合處理的可達(dá)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(dǎo)頻序列時(shí)信道估計(jì)的不確定性及導(dǎo)頻數(shù)據(jù)聯(lián)合處理時(shí)信道估計(jì)的不確定性。假設(shè)萊斯衰落中的視距傳輸部分為已知的，推導(dǎo)出頻譜效率下界的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，相比于僅依賴導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，導(dǎo)頻數(shù)據(jù)聯(lián)合處理應(yīng)用于大規(guī)模MIMO時(shí)，具有較高的頻譜效率。在聯(lián)合處理中，增加導(dǎo)頻長(zhǎng)度使得導(dǎo)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(zhǎng)度以提高導(dǎo)頻數(shù)據(jù)聯(lián)合處理的頻譜效率性能。
　　再次，提出網(wǎng)絡(luò)全雙工大規(guī)模MIMO的概念并對(duì)其頻譜效率和能量效率進(jìn)行分析。首先，闡述網(wǎng)絡(luò)全雙工的定義，即從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(shí)分別與不同的基站進(jìn)行通信，基站之間不需要嚴(yán)格的同步信號(hào)，使通信網(wǎng)絡(luò)的組成更加靈活。同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)上下行基站的數(shù)量，解決越來越嚴(yán)重的業(yè)務(wù)不對(duì)稱問題。針對(duì)最大比發(fā)送(MRT，Maximum

8、 Ratio Transmission)預(yù)編碼和最大比合并(MRC，Maximum Ratio Combining)接收機(jī)，推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)全雙工大規(guī)模MIMO上下行瞬時(shí)及遍歷和速率的漸近表達(dá)式?；跓o源光網(wǎng)絡(luò)的回傳鏈路，提出網(wǎng)絡(luò)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(zhì)。從理論上證明了一部分下行基站對(duì)上行基站的干擾隨著天線數(shù)量趨于無窮而消失，且通過仿真可知，與TDD系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)全雙工系統(tǒng)頻譜效率的優(yōu)勢(shì)隨著天線數(shù)量的增加而更加明顯

9、，為網(wǎng)絡(luò)全雙工在大規(guī)模MIMO中的應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　最后，以最大化頻譜效率為目標(biāo)，研究網(wǎng)絡(luò)全雙工大規(guī)模MIMO的天線分組與選擇算法。首先給出應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)全雙工分布式天線系統(tǒng)的一種改進(jìn)式C-RAN（Cloud Radio Access Network）結(jié)構(gòu)，通過引入兩種選擇開關(guān)，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(biāo)問題的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。將系統(tǒng)中的多種干擾進(jìn)行分類，根