基于低精度ADC的大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)性能研究.pdf

1、隨著無線通信系統(tǒng)帶寬及數(shù)據(jù)傳輸速率的高速增長，未來移動(dòng)通信面臨著硬件成本高昂、系統(tǒng)功率消耗過高等問題，成為制約系統(tǒng)性能大幅度提升的基本瓶頸。為了解決上述問題，學(xué)術(shù)界展開了對(duì)低功耗高效無線傳輸技術(shù)的研究，其中基于低精度(如1-3bit)ADC的接收機(jī)可以有效地避免高精度ADC的以上缺點(diǎn)。通過對(duì)高斯信道下低精度量化的信道容量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)高精度ADC接收機(jī)，低精度ADC所帶來的信道容量損失在可接受的范圍內(nèi)。作為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的

2、關(guān)鍵技術(shù)之一，大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO，multiple input multiple output)技術(shù)能夠充分挖掘空間維的自由度，在保證服務(wù)質(zhì)量前提下大幅提高系統(tǒng)頻譜效率和能量效率。本文面向大規(guī)模MIMO無線傳輸，研究低精度量化對(duì)系統(tǒng)性能及信道估計(jì)的影響。
　　首先，從最基本的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，介紹其上下行鏈路傳輸過程以及基站端使用的接收技術(shù)和預(yù)編碼技術(shù)，對(duì)信道估計(jì)算法和信道估計(jì)過程中涉及到的一系列問題進(jìn)行簡(jiǎn)要分

3、析。同時(shí)，以ADC的功能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，介紹低精度量化系統(tǒng)的信道容量分析方法，主要從非線性建模下的信道容量分析和加性量化噪聲模型(AQNM)下的信道容量分析兩方面展開，對(duì)兩種分析方法的理論依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)闡述和具體推導(dǎo)，為后續(xù)基于低精度ADC接收機(jī)的大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)性能分析提供理論基礎(chǔ)。
　　其次，研究基站端獲得理想信道狀態(tài)信息(CSI)的情況下，采用不同線性接收技術(shù)的低精度ADC大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜效率。為簡(jiǎn)化分析，選擇AQN

4、M模型對(duì)量化過程進(jìn)行線性處理，得到接收端采用最大比合并(MRC)和迫零(ZF)接收技術(shù)下的系統(tǒng)頻譜效率。通過對(duì)上行頻譜效率的合理近似，得到基于理想CSI的近似頻譜效率表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上考察低精度量化系統(tǒng)的頻譜效率與量化精度、基站天線數(shù)、發(fā)送功率等因素的關(guān)系，研究在量化精度、基站天線數(shù)趨于無窮時(shí)以及功率分配模式下的系統(tǒng)性能，并對(duì)兩種接收技術(shù)下的低精度量化系統(tǒng)性能進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明:基站端配置低精度ADC帶來的系統(tǒng)容量損失可以通過增加基

5、站天線數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，且相同條件下ZF接收可以取得比MRC接收更高的系統(tǒng)頻譜效率。
　　最后，研究基于信道估計(jì)的低精度ADC大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能，并在最大化系統(tǒng)頻譜效率的基礎(chǔ)上對(duì)基站天線數(shù)和量化精度進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化?？紤]通過導(dǎo)頻序列獲取信道狀態(tài)信息的時(shí)分雙工(TDD)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究基于最小均方誤差(MMSE)信道估計(jì)的MRC接收機(jī)下量化精度、導(dǎo)頻長度、基站天線數(shù)等因素對(duì)信道估計(jì)及檢測(cè)的影響，給出基于低精度ADC的大規(guī)模MIMO