協(xié)作MIMO系統(tǒng)的預(yù)編碼技術(shù)和頻譜有效性研究.pdf

1、MIMO技術(shù)為通信系統(tǒng)帶來了復(fù)用增益、分集增益和陣列增益，可以大大地提高系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率。然而，如果將MIMO技術(shù)直接應(yīng)用于傳統(tǒng)同頻組網(wǎng)的蜂窩系統(tǒng)中，會存在較為嚴(yán)重的小區(qū)間干擾，極大地限制了系統(tǒng)頻譜效率的提高。大規(guī)模MIMO技術(shù)是一種有效地降低小區(qū)間干擾的方法，它通過在基站端配置大規(guī)模天線陣列以此替代目前的多天線，深度挖掘和利用空間維度無線資源，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸效率并降低能耗。然而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能嚴(yán)重依賴于基站端

2、配置天線的個數(shù)。研究結(jié)果表明，協(xié)作MIMO技術(shù)可以有效地抑制小區(qū)間干擾，大幅度地提升系統(tǒng)尤其是小區(qū)邊緣用戶的性能，而且還可以大大降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)對天線個數(shù)的要求。本文考慮兩種協(xié)作MIMO系統(tǒng)，分別是基站協(xié)作MIMO系統(tǒng)和同一基站不同遠(yuǎn)程天線單元間協(xié)作的大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)。在基站協(xié)作MIMO系統(tǒng)中，設(shè)計不同協(xié)作場景中針對不同優(yōu)化目標(biāo)的預(yù)編碼。在大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)中，分別分析采用線性接收機(jī)和線性預(yù)編碼時系統(tǒng)的上下行頻譜有效

3、性。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛巳绾蔚玫絻捎脩鬗ISO干擾信道帕累托速率邊界的閉式解及其在數(shù)據(jù)共享場景中的應(yīng)用。給出了兩用戶MISO干擾信道的等價信道模型，利用該等價信道模型簡化最優(yōu)波束成形向量的求解過程。在給出兩用戶MISO干擾信道帕累托邊界的完整描述之后，提出了擬最優(yōu)的分布式波束成形算法。將優(yōu)化變量從預(yù)編碼向量轉(zhuǎn)換為新定義的角度變量，以此重新描述非凸的加權(quán)和速率最大化問題。提出加權(quán)泄露信號噪聲比最小化問題，建立它與通過忽

4、略加權(quán)和速率最大化問題非有效限制條件得到的非受限優(yōu)化問題間的等價關(guān)系，基于該等價關(guān)系提出了一個集中式加權(quán)泄露信號噪聲比最小化算法來找到本地最優(yōu)加權(quán)和速率點，算法的每一步都可以通過求解閉合表達(dá)式得到。利用高信干噪比近似，論文還提出了一種只利用本地信道狀態(tài)信息的分布式波束成形算法。此外，基于分層信道的觀點，論文利用一種啟發(fā)式功率分配機(jī)制將MISO干擾信道中的波束成形算法推廣到了數(shù)據(jù)共享場景。仿真結(jié)果表明集中式算法可以得到本地最優(yōu)加權(quán)和速率性

5、能，分布式算法僅利用本地信道狀態(tài)信息得到了非常接近于最優(yōu)的性能。
　?、苹谏舷滦袑ε祭碚摚撐难芯苛硕嘈^(qū)多用戶動態(tài)協(xié)作場景中的預(yù)編碼設(shè)計問題。上下行對偶理論是一種非常有效的優(yōu)化下行預(yù)編碼問題的方法。然而，靜態(tài)協(xié)作場景中的波束成形對偶理論，雖然應(yīng)用起來較為簡單，但是系統(tǒng)的性能仍然受限于簇間干擾。論文將波束成形對偶理論推廣到適應(yīng)于任何協(xié)作機(jī)制的動態(tài)協(xié)作場景，建立了多小區(qū)多用戶動態(tài)協(xié)作場景中的上下行對偶關(guān)系，通過對偶上行優(yōu)化問題求解

6、考慮每基站功率受限在滿足給定每用戶信干噪比目標(biāo)的情況下最小化總發(fā)送功率的優(yōu)化問題，給出了波束成形最優(yōu)性的條件，并利用拉格朗日對偶理論推導(dǎo)了最優(yōu)的下行波束成形設(shè)計。仿真結(jié)果驗證了所提算法具有較好的收斂性，而且所提算法在MISO干擾信道中利用最大發(fā)送功率達(dá)到了最優(yōu)的和速率性能，在數(shù)據(jù)共享場景具有更好的能量效率。
　　⑶考慮導(dǎo)頻污染，論文分析了大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)的上行頻譜有效性。基于Gamma隨機(jī)變量的性質(zhì)，論文推導(dǎo)了單小區(qū)多用戶

7、大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比接收時上行可達(dá)速率的閉合表達(dá)式。考慮最小均方誤差信道估計，論文給出了多小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)具有導(dǎo)頻污染時的等價信道模型，基于該等價信道模型，推導(dǎo)了多小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比接收時上行可達(dá)速率的閉合表達(dá)式。論文還分別給出了單小區(qū)和多小區(qū)大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)當(dāng)發(fā)送天線數(shù)與用戶數(shù)之間的比值趨于無窮大時的上行極限速率表達(dá)式。此外，論文利用推導(dǎo)出的速率閉合表達(dá)式分析了系統(tǒng)的頻

8、譜有效性，并將大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜性能在不同場景下進(jìn)行分析比較。仿真結(jié)果表明，我們推導(dǎo)的閉合表達(dá)式即使是在天線數(shù)較少的情況下都能很好地逼近真實值，而且在總的發(fā)送天線個數(shù)相同時大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)相較大規(guī)模MIMO系統(tǒng)具有較大的性能增益。
　?、柔槍β?lián)合相關(guān)信道模型，論文分析了考慮導(dǎo)頻污染時大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)的下行頻譜有效性。對于一般的信道模型，當(dāng)考慮遠(yuǎn)程天線單元的天線間具有相關(guān)性時很難給出頻

9、譜效率的計算表達(dá)式，因此論文針對具體的物理信道模型推導(dǎo)可達(dá)速率的閉合表達(dá)式。論文推導(dǎo)了當(dāng)遠(yuǎn)程天線單元的天線間具有相關(guān)性時單小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比發(fā)射預(yù)編碼時下行可達(dá)速率的閉合表達(dá)式，并驗證了該表達(dá)式的準(zhǔn)確性?？紤]導(dǎo)頻污染，論文給出了考慮遠(yuǎn)程天線單元的天線間具有相關(guān)性時的等價信道模型，在此等價模型下，推導(dǎo)了多小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比發(fā)射預(yù)編碼時下行可達(dá)速率的閉合表達(dá)式，并給出了當(dāng)總發(fā)送天線數(shù)與用戶

10、數(shù)之間的比值趨于無窮大時下行極限速率的表達(dá)式。仿真結(jié)果表明我們推導(dǎo)的閉合表達(dá)式在總發(fā)送天線數(shù)與用戶數(shù)之間比值的所有區(qū)間內(nèi)都能很好地逼近仿真結(jié)果。另外當(dāng)用戶分布在小區(qū)邊界和最差位置分布點時，我們還分別比較了大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的可達(dá)速率性能。仿真結(jié)果表明，相較大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)在不同的場景中都獲得了較大的性能增益。本章的理論結(jié)果可以應(yīng)用到基站天線集中放置的大規(guī)模MIMO、網(wǎng)絡(luò)MIMO以及基