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面向5G的大规模MIMO无线传输技术研究

张琦  
【摘要】:随着人们对高速率、高质量无线通信需求的飞速增长,预计2020年通信需求量将达到目前的1000倍。因此,可大幅提升系统容量及频谱和能量效率的第五代移动通信技术(5G)应运而生,并迅速引起了人们的广泛关注,而大规模MIMO正是其中最主要的技术手段之一。本论文针对实际应用场景,关注了更具一般性的莱斯信道,分析了大规模MIMO相对于传统MIMO的容量提升程度,给出了其发送功率缩减特性及导频污染消除方法等创新性结论。同时,也提出了一种适用于多小区的低复杂度功率控制机制,并在此基础上分析了大规模MIMO功率控制方案的多种适用情形,具体工作如下:首先,研究了莱斯信道下大规模MIMO的发送功率缩减特性。不同于以往大规模MIMO研究,本文考虑了包含视距分量的更具普遍性的莱斯信道。在单小区多用户MIMO系统中,分别在基站获知理想和非理想信道状态信息前提下,利用最大比合并和迫零接收机,分析了系统的上行可达速率,并得到了莱斯信道下的功率缩减特性:若基站可获知理想信道状态信息,当基站天线数(M)趋向于无穷大时,不论在哪一种接收机下,每用户的发送功率均可减小到原来的1/M,且保证系统性能不衰减;若基站只可获知非理想信道状态信息,用户可缩减的功率比例是与信道状态相关的,即:若信道包含视距分量,则每用户的发送功率仍可减小到原来的1/M,若信道中无视距分量,即瑞利信道,则每用户的发送功率只能减小到原来的1/(?)。其次,研究了莱斯信道下多小区大规模MIMO系统的频谱性能,给出了导频污染消除方法。在莱斯信道下的多小区多用户MIMO系统中,分别在基站获知理想和非理想信道状态信息的条件下,探索了加入视距分量对系统性能的影响。理论研究表明,小区性能可随视距分量比例的提升而提升。特别是在基站获知非理想信道状态信息时,视距分量比例或基站天线数增加至一定程度后,小区速率都会在导频污染影响下趋向于某个固定值。但若两者同时增大,小区速率可无限提升。这表明当基站天线数和视距分量比例都加大时,小区中的所有干扰和噪声都被消除,导频污染随之消失。本文也同时研究了多小区环境下的用户功率缩减特性,其结论与单小区场景保持一致。最后,研究了多小区大规模MIMO系统下的功率控制机制。本文提出了一种低复杂度的调度式功率分配机制,即在某个时隙中,只有相互之间干扰可忽略不计的小区可同时调整功率。此机制将相互干扰强烈的小区放入不同的时隙执行功控,从而整个网络的联合优化问题转化成了单个小区的优化问题,复杂度大大降低。在此基础上,本文分别给出了上下行链路功率控制方案。通过仿真可得,在实际中较多采用的中小规模天线尺寸(即天线数为几百以下)下,本文的功控方案有显著的增益效果。而在基站天线数(M)与用户数(N)比值增大时,功控效果则逐渐减弱。当M/N→∞时,其效果与平均功率分配无异。为判定何时所提的功控方案是可行的,本文还给出了最小功控增益要求下的最大M/N值,即何种M/N值可满足相对最小功控增益要求。从整个蜂窝网络的性能来看,本文提出的调度式功控方案在第一轮调度结束后,可达到与全小区联合最优功控几乎一致的效果,但其复杂度却比后者大为降低。


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