大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO，multiple-input-multiple-output)被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，能支撐高速率的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。利用基站端或者用戶端配置的大規(guī)模天線陣列，可以大幅度提升系統(tǒng)吞吐量，并從統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息(CSI，channel state information)中獲益。此外，除了提升頻譜效率，大規(guī)模MIMO配置同樣能夠提升系統(tǒng)的能量效率。然而，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能受到導(dǎo)頻資源的嚴(yán)格限

2、制?；谝陨蟿?dòng)機(jī)，本文研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)相關(guān)的性能分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。
　　首先，考慮中繼輔助的MIMO蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路，其中，每個(gè)小區(qū)配置多個(gè)放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF，amplify-and-forward)中繼站，目標(biāo)是得到這類系統(tǒng)上行遍歷和速率的確定性表達(dá)式?？紤]大規(guī)模MIMO維度的場(chǎng)景，得到了兩個(gè)漸進(jìn)性的和速率表達(dá)式，分別對(duì)應(yīng)于固定用戶數(shù)和用戶數(shù)較大的情況。同時(shí)考慮了任意MIMO維度而用戶數(shù)較大的情況，利用非漸進(jìn)性分析得到了

3、和速率的上下界，和速率以較大概率落在該上下界內(nèi)，且在用戶數(shù)較大時(shí)上下界較緊。非漸進(jìn)性分析分別考慮了單小區(qū)和多小區(qū)的場(chǎng)景，其中，后者假設(shè)完全基站協(xié)作策略。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，這些確定性和速率表達(dá)式和蒙特卡羅仿真結(jié)果一致，因此，它們可以用作設(shè)計(jì)和分析中繼輔助的大規(guī)模MIMO蜂窩系統(tǒng)的有效工具。
　　其次，研究了多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行鏈路中和速率最優(yōu)的預(yù)編碼。具體地，關(guān)注的是只基于統(tǒng)計(jì)CSI的傳輸預(yù)編碼設(shè)計(jì)?？紤]部分協(xié)作系統(tǒng)，即只有

4、CSI在小區(qū)間共享，每個(gè)小區(qū)的基站解碼其小區(qū)內(nèi)用戶的信號(hào)，并將小區(qū)外用戶的信號(hào)視作有色高斯噪聲。得到了遍歷和速率及其在總的用戶天線數(shù)和基站天線數(shù)較大時(shí)的確定性逼近，并在滿足發(fā)射功率約束的條件下，通過最大化該確定性逼近，得到了必要最優(yōu)條件，并據(jù)此提出了梯度搜索算法以計(jì)算局部最優(yōu)的預(yù)編碼。進(jìn)而，考慮超級(jí)小區(qū)系統(tǒng)，即所有小區(qū)內(nèi)的所有用戶信號(hào)被聯(lián)合解碼的場(chǎng)景，得到了其和速率的確定性逼近并給出了最優(yōu)預(yù)編碼設(shè)計(jì)。數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果表明，相比無(wú)預(yù)編碼系統(tǒng)

5、，所提出的預(yù)編碼能夠達(dá)到較大的性能增益，而和現(xiàn)存的需要完美CSI的預(yù)編碼方案相比，所提出預(yù)編碼只需要統(tǒng)計(jì)CSI且能達(dá)到相似的和速率。
　　接著，研究了在多小區(qū)導(dǎo)頻復(fù)用的情況下，針對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行鏈路的魯棒均衡器，利用最差情況方法進(jìn)行可以對(duì)抗導(dǎo)頻污染的魯棒性設(shè)計(jì)。在基站天線數(shù)較大且信道模型未知時(shí)，建立了一個(gè)新的模型，以表示即時(shí)信道矩陣和不完美的信道估計(jì)之間的關(guān)系?；诖四Ｐ?，將魯棒均衡器設(shè)計(jì)問題表述為一個(gè)最小最大化問題，并將

6、該最小最大化問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)無(wú)約束問題，據(jù)此得到最優(yōu)條件。利用得到的最優(yōu)條件，提出了兩個(gè)迭代算法和一個(gè)簡(jiǎn)化的逼近方法來(lái)計(jì)算最優(yōu)的魯棒均衡器。利用仿真試驗(yàn)來(lái)評(píng)估所提出算法的性能，和傳統(tǒng)的均衡器相比，所提出的魯棒均衡器可以達(dá)到更優(yōu)的誤比特率(BER，bit error rate)性能，尤其是在信噪比(SNR，signal-to-noise ratio)較高，即導(dǎo)頻污染較為嚴(yán)重時(shí)。
　　最后，研究了采用大規(guī)?；咎炀€和軟協(xié)作策略的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

7、(HetNet，heterogenous network)中，基于波束成形的能量有效傳輸方案?？紤]傳輸功率互異的多個(gè)宏基站和微基站共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，采用軟協(xié)作策略，即只有CSI在宏基站和微基站之間共享。將能效問題表述為在滿足每個(gè)用戶信干噪比(SINR，signal-to-interference-noise ratio)的條件下，最小化總傳輸功率的問題。根據(jù)該問題的對(duì)偶問題，得到了能效波束成形向量的結(jié)構(gòu)，并利用大規(guī)模MIMO分析方法，得到