面向B4G-5G的大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為了應(yīng)對無線通信數(shù)據(jù)量的迅猛增長以及智能接入終端數(shù)量的大幅增加，業(yè)內(nèi)已開始著眼于面向2020年之后的第五代移動通信系統(tǒng)(5G)的技術(shù)研究以及標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，尤其是針對5G系統(tǒng)重新定義了峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、移動性、端到端時延、連接數(shù)密度、流量密度、網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和能量效率等八大關(guān)鍵能力指標(biāo)。為了在有限的時頻資源下實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)要求，5G系統(tǒng)引入了多種能進(jìn)一步挖掘頻譜效率潛力的超高效能無線傳輸技術(shù)。其中，基于大規(guī)模多輸入多輸出(Massiv

2、eMIMO，或稱為Large-scale MIMO)的無線傳輸技術(shù)，通過大數(shù)量天線的使用，深度挖掘空間維度資源，獲得了諸多不同于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的傳輸特性和物理特性，從而可在不增加時頻資源開銷的情況下使頻譜效率和功率效率在4G系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再提升一個量級。因此，大規(guī)模MIMO技術(shù)也被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為是5G系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。然而，大規(guī)模MIMO技術(shù)在應(yīng)用過程中仍存在許多有待解決的問題，如頻分雙工(FDD)制式下適度的導(dǎo)頻開銷方案及設(shè)計(jì)、高能效

3、的綠色大規(guī)模MIMO資源分配、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模MIMO以及分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的傳輸容量性能分析和移動場景下時變信道特性對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能影響等?；诖?，本論文開展了“面向B4G/5G的大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”這一課題，具體研究內(nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下:
　　1.針對大規(guī)模MIMO FDD下行系統(tǒng)，在普適空間相關(guān)信道下分析了導(dǎo)頻序列長度隨天線數(shù)以不同速率變化時的系統(tǒng)遍歷可達(dá)速率漸進(jìn)性能，得出可達(dá)速率關(guān)于導(dǎo)頻長

4、度的解析表達(dá)式，并由此推導(dǎo)出了滿足可達(dá)速率持續(xù)增長時的導(dǎo)頻長度與天線數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。推導(dǎo)結(jié)果表明:(1)即使在歸一化導(dǎo)頻長度（即導(dǎo)頻長度與天線數(shù)之比）趨于0時，只要天線數(shù)持續(xù)增加，即可保證系統(tǒng)速率無限增加，但其增加速度受到歸一化導(dǎo)頻長度的影響;(2)若固定導(dǎo)頻長度，只增加天線數(shù)，則系統(tǒng)速率將很快出現(xiàn)平臺效應(yīng)。進(jìn)一步，在給定導(dǎo)頻序列長度的條件下，提出一種基于可達(dá)速率最大化的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案。該方案將導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)對于信道估計(jì)的作用直接反映于系統(tǒng)可達(dá)

5、速率，而非單一的考察信道估計(jì)的均方誤差性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所作推導(dǎo)的正確性以及所提出的最優(yōu)導(dǎo)頻方案的性能增益。
　　2.研究了大規(guī)模MIMO FDD系統(tǒng)的下行信道估計(jì)與數(shù)據(jù)傳輸兩個階段的聯(lián)合資源分配問題，在保證信道估計(jì)階段導(dǎo)頻時長和功率開銷的同時，兼顧數(shù)據(jù)發(fā)送的時長和功率分配。以最大化能效為設(shè)計(jì)目標(biāo)，并考慮最小頻譜效率要求和總能耗約束，建立關(guān)于導(dǎo)頻時長、導(dǎo)頻功率和數(shù)據(jù)功率的聯(lián)合優(yōu)化模型，提出一種次優(yōu)的低復(fù)雜度三層迭代能效優(yōu)化算法。

6、由于目標(biāo)函數(shù)形式復(fù)雜，首先利用確定性等價近似推導(dǎo)出能效目標(biāo)函數(shù)關(guān)于導(dǎo)頻長度、導(dǎo)頻功率以及數(shù)據(jù)功率的解析表達(dá)式;在此基礎(chǔ)上，利用分?jǐn)?shù)規(guī)劃將原目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為帶參數(shù)的等價減式形式，再利用頻譜效率下界對轉(zhuǎn)換后目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行縮放，將原非凸問題逐步釋放為凸優(yōu)化問題，最終提出一種三層迭代優(yōu)化算法對其進(jìn)行求解。同時，給出了該算法的復(fù)雜度分析和收斂性證明。最后，針對兩種特殊信道相關(guān)陣模型，利用LambertW函數(shù)分別求得了最優(yōu)數(shù)據(jù)功率和最優(yōu)導(dǎo)頻時長的閉合形

7、式解。通過數(shù)值仿真，驗(yàn)證了不同的信道相關(guān)性強(qiáng)弱條件下所提出的迭代算法取得的能效性能增益，并且可以看到本算法具有較快的收斂速率。
　　3.針對多對用戶大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)，研究了理想信道狀態(tài)信息(CSI)和含估計(jì)誤差信道狀態(tài)信息情況下，不同中繼預(yù)編碼方案的系統(tǒng)頻譜效率性能和功率縮放律。首先，推導(dǎo)了系統(tǒng)平均頻譜效率關(guān)于任意中繼天線數(shù)、用戶數(shù)、發(fā)射功率向量以及信道統(tǒng)計(jì)量的解析表達(dá)式。從推導(dǎo)結(jié)果可以看到:(1)理想CSI下，最大比發(fā)送（

8、MRT）和迫零(ZF)方案對應(yīng)的頻譜效率均隨著中繼天線數(shù)呈近似對數(shù)比例增長關(guān)系，與干擾用戶對個數(shù)呈近似對數(shù)反比例關(guān)系。(2)非理想CSI下，頻譜效率與天線數(shù)依然滿足上述關(guān)系，但由于信道估計(jì)誤差引入了更多的用戶間干擾，因而其與用戶對個數(shù)的變化關(guān)系更為復(fù)雜。當(dāng)用戶對個數(shù)固定時，給出了頻譜效率的漸進(jìn)性能表達(dá)式?？梢钥吹皆诶硐隒SI和非理想CSI下，信源用戶和中繼發(fā)射功率可同時以最大1/N和最大1/√N(yùn)倍縮放（N為中繼天線數(shù)），且保證頻譜效率維

9、持在固定水平。此外，還分析了當(dāng)用戶對個數(shù)隨天線數(shù)等比例增長時，系統(tǒng)的頻譜效率漸進(jìn)性能。結(jié)果表明，信源節(jié)點(diǎn)可獲得最大1/√N(yùn)倍的發(fā)射功率縮放增益，但此時中繼無法獲得功率縮放。這也意味著隨著中繼天線數(shù)增長，系統(tǒng)可以服務(wù)更多的用戶，同時降低信源發(fā)射功率，且通過調(diào)整用戶對個數(shù)和天線數(shù)的比值，即可滿足用戶的任意頻譜效率要求，這對于5G密集用戶分布場景是極為有利的。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所推導(dǎo)的頻譜效率閉合表達(dá)式的準(zhǔn)確性以及所獲得的發(fā)射功率縮放增益范圍，并

10、對比了兩種預(yù)編碼方案下的性能變化趨勢。
　　4.研究了高能效大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的資源聯(lián)合分配問題。大規(guī)模天線陣列雖然可以大幅降低發(fā)射功耗，但卻使射頻電路功耗成倍增加，從而系統(tǒng)的能效性能受到較大影響，由此對大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)進(jìn)行了基于能效最大化的發(fā)射功率和天線數(shù)聯(lián)合優(yōu)化。對于MRT預(yù)編碼方案，根據(jù)能效目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)，分別證明了其關(guān)于功率向量和天線數(shù)的擬凹特性，并由此得到了:(1)天線數(shù)一定時的最優(yōu)信源功率和最優(yōu)中繼功率的數(shù)學(xué)

11、關(guān)系式;(2)在功率向量一定時的最優(yōu)天線數(shù)閉式解。由此，提出一種一維遍歷搜索交替迭代算法。由于該方法的收斂速度和性能受初始值和步長的影響較大，為了加快收斂速度，利用上述最優(yōu)發(fā)射功率關(guān)系并結(jié)合分式規(guī)劃性質(zhì)，給出了一種具有超線性收斂速率的基于大信噪比區(qū)間近似的交替迭代優(yōu)化算法。在ZF預(yù)編碼方案下，首先利用分?jǐn)?shù)規(guī)劃將目標(biāo)函數(shù)等價轉(zhuǎn)換為帶參數(shù)的減式形式，進(jìn)而利用目標(biāo)函數(shù)的部分凸性，從而直接求解得到了最優(yōu)發(fā)射功率和最優(yōu)天線數(shù)的閉合形式解。更為重要

12、的是，所提出的三個算法都只用到了信道統(tǒng)計(jì)量和標(biāo)量計(jì)算，且無需信道瞬時信息和大維矩陣運(yùn)算，大大降低了實(shí)際系統(tǒng)中的計(jì)算復(fù)雜度。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提能效功率分配算法的有效性，并展示了所提算法在較少的迭代次數(shù)下便可收斂到最優(yōu)解。
　　5.針對分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究了移動場景中普適時間相關(guān)信道下的頻譜效率性能和功率縮放律。首先，利用高斯馬爾科夫過程對時變信道特性進(jìn)行建模，以時間相關(guān)性系數(shù)表征時變快慢程度。其次，利用大維隨機(jī)矩陣?yán)碚撘约?/p>

13、Gamma分布隨機(jī)變量特性，推導(dǎo)了單小區(qū)分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在采用MRC接收和MRT預(yù)編碼時的包含有信道時變系數(shù)的上下行頻譜效率閉合表達(dá)式。進(jìn)一步，在多小區(qū)分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)受到導(dǎo)頻污染和信道時變的雙重影響下，推導(dǎo)了采用MRC接收機(jī)時的上行頻譜效率閉合表達(dá)式。最后，分別給出了單小區(qū)和多小區(qū)系統(tǒng)中在總天線數(shù)與用戶數(shù)之間的比值趨于無窮大時的頻譜效率漸進(jìn)解析表達(dá)式。從漸進(jìn)結(jié)果中可以看到:(1)在單小區(qū)場景中，雖然頻譜效率極限值隨時間