本文關(guān)鍵詞： 大規(guī)模MIMO中繼 全數(shù)字預(yù)編碼 有限射頻鏈路 混合預(yù)編碼 ADC量化　出處：《東南大學(xué)》2017年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Mu1tiple-Output,MIMO)技術(shù)能夠顯著提升無(wú)線通信頻譜和能量效率,是支撐5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著基站天線數(shù)目不斷增加,原系統(tǒng)中的熱噪聲效應(yīng)和多用戶干擾將可以忽略不計(jì),并且簡(jiǎn)單的線性波束賦形變得漸近最優(yōu)。另一方面,中繼技術(shù)具有增強(qiáng)無(wú)線覆蓋,降低發(fā)送功率,以及提升系統(tǒng)可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)�；谏鲜隹紤],配備大規(guī)模天線陣列的中繼系統(tǒng)得到廣泛關(guān)注。然而,大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在而向?qū)嶋H部署時(shí)遇到一些關(guān)鍵挑戰(zhàn),例如大量射頻鏈路導(dǎo)致功耗過(guò)高、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC,Analog-to-Digital Converter)成本昂貴等。因此,研究如何以較低成本實(shí)現(xiàn)高效大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸非常必要。本文主要考慮在實(shí)際射頻鏈路數(shù)目受限,以及采用混合精度ADC架構(gòu)進(jìn)行接收這兩種場(chǎng)景下,分別對(duì)大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的預(yù)編碼性能進(jìn)行一系列研究。首先考慮傳統(tǒng)全射頻鏈路架構(gòu)的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng),本論文研究了全數(shù)字預(yù)編碼方案下的系統(tǒng)性能。針對(duì)全雙工中繼,研究了基于大規(guī)模天線陣列以及低發(fā)送功率的自干擾(LI,Loop Interference)消除方案。然后,在非理想信道狀態(tài)信息(CSI,Channel State Information)的場(chǎng)景下,對(duì)于全雙工以及半雙工這兩種中繼模式,分別給出了系統(tǒng)可達(dá)和速率的近似表達(dá)式并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。進(jìn)一步,提出了一種混合雙工方案,針對(duì)信道大尺度衰落條件自適應(yīng)選擇全雙工/半雙工模式,該混合模式相較于單一的雙工模式具有顯著的性能增益。然后,論文對(duì)大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的模擬/數(shù)字混合預(yù)編碼展開(kāi)了研究。在實(shí)際射頻鏈路少于中繼天線數(shù)的約束下,提出大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的上、下行混合接收/預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)提取信道相位信息來(lái)設(shè)計(jì)模擬預(yù)編碼,以獲取陣列增益,而對(duì)基帶等效信道采用迫零(ZF,Zero-Forcing)預(yù)編碼來(lái)消除多用戶干擾(MUI,Multiuser Interference)。在非理想想CS場(chǎng)景下,論導(dǎo)了基于該混合預(yù)編碼方案的可達(dá)和速率近似表達(dá)式,并給出了射頻鏈路數(shù)目與天線數(shù)之間關(guān)系的顯式表達(dá)式。特別地,推導(dǎo)出兩種典型功率縮放場(chǎng)景下的系統(tǒng)漸近性能。針對(duì)實(shí)際模擬移相器(APS,Analog Phase Shifter)精度有限的問(wèn)題,研究了相位量化對(duì)混合預(yù)編碼性能的影響。理論與仿真結(jié)果均表明,當(dāng)天線規(guī)模較大時(shí),該混合預(yù)編碼方案性能將趨近于傳統(tǒng)的全數(shù)字預(yù)編碼。通過(guò)對(duì)總功率消耗進(jìn)行合理建模,論文進(jìn)一步研究了系統(tǒng)的能量效率(EE,Energy Efficiency),證明了EE關(guān)于發(fā)送功率和射頻鏈路數(shù)是擬凹函數(shù),從而可通過(guò)迭代求解獲得最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)配置。論文最后為解決大量高精度ADC導(dǎo)致功耗與成本過(guò)高的問(wèn)題,研究了基于混合精度ADC架構(gòu)進(jìn)行接收的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)。通過(guò)引入加性量化噪聲模型(AQNM,Additive Quantization Noise Model),論文在理想CSI和最大比合并(MRC,Maximal Ratio Combining)接收設(shè)計(jì)下,推導(dǎo)了混合精度ADC架構(gòu)下可達(dá)速率的近似表達(dá)式。進(jìn)一步,研究了天線數(shù)目、用戶和中繼的發(fā)送功率,以及高精度ADC所占比例等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)可達(dá)速率的影響。此外,針對(duì)幾種典型的場(chǎng)景,論文分別給出了可達(dá)速率的漸近表達(dá)式,揭示出系統(tǒng)漸近性能可以很好地由所有ADC的"等效"(平均)精度來(lái)刻畫(huà)。仿真表明,混合ADC架構(gòu)能夠在功耗和性能之間取得很好的折衷,為大規(guī)模MIMO進(jìn)行實(shí)際部署提供了有效的技術(shù)支持。
[Abstract]:Large scale multi input multi output (Multiple-Input Mu1tiple-Output MIMO) technology can significantly improve the wireless communication spectrum and energy efficiency, is one of the key supporting technologies of 5G mobile communication. With the increasing number of base station antenna, the thermal noise effect of the original system and multi-user interference will be negligible, and the linear beam shape becomes simple asymptotically optimal. On the other hand, relay technology has enhanced wireless coverage, reducing the transmission power, and improve the system reliability and other advantages. Based on the above considerations, the relay system is equipped with a large antenna array has been widespread concern. However, the large scale MIMO system to meet some key challenges in the actual deployment, such as a large number of RF link leads to high power consumption high precision analog-to-digital converter (ADC, Analog-to-Digital, Converter) high cost. Therefore, study how to achieve in order to lower the cost of Efficient large-scale MIMO wireless transmission is very necessary. This paper considers the limitation in the actual RF link number and the mixed precision ADC architecture to receive the two scenarios, respectively on the scale of MIMO relay system precoding performance through a series of research. First consider the large-scale MIMO relay system the traditional full RF link architecture, this paper studies the performance of the system of digital pre encoding schemes. For full duplex relay on the self interference of large-scale antenna array and low transmit power based on (LI, Loop, Interference) cancellation scheme. Then, in a non ideal channel state information (CSI Channel, State Information) scene, for full duplex, half duplex the two relay mode are presented and the approximate expression rate up to the system and simulation. Further, the paper puts forward a hybrid duplex scheme, needle On the large scale fading conditions of adaptive selection of full duplex / half duplex mode, the mixed mode compared to the single duplex mode has a significant performance gain. Then, simulation of large-scale / MIMO relay system in digital pre encoding is studied. In the actual radio relay antenna number less than link constraints, proposed large-scale MIMO relay system, downlink hybrid receiver / pre encoding design method. By this method to design the analog pre encoding channel phase information extraction, in order to obtain the array gain, while the baseband equivalent channel using zero forcing (ZF, Zero-Forcing) precoding to eliminate the multi-user interference (MUI, Multiuser, Interference) in the non ideal. The CS scenario, the approximate expression of the hybrid theory guide pre encoding scheme based on rate and up to, and give the relationship between the RF link number and the number of antennas explicitly in particular. System, asymptotic performance is derived for two kinds of typical power zoom scenarios. In view of the actual analog phase shifter (APS Analog, Phase Shifter) problem of finite precision, studied the effect of phase quantization on pre mixed encoding performance. Theoretical analysis and simulation results show that when the antenna is in large scale, full digital pre encoding the pre mixing the performance will be close to the traditional encoding scheme. Through reasonable modeling on power consumption, the paper further studies the energy efficiency of the system (EE, Energy, Efficiency), proved that EE about the transmission power and the number of RF chains is quasi concave function, which can obtain the optimal parameters of the system configuration through the iterative algorithm. Finally, in order to solve a large number of high precision ADC lead to the problem of high cost and power consumption, of large-scale MIMO relay system received mixed precision based on ADC architecture. Through the introduction of additive quantization noise model (AQN M, Additive Quantization Noise Model), the ideal CSI and maximum ratio combination (MRC Maximal, Ratio Combining) receiver design, the approximate expression rate of up to ADC under the framework of the mixed precision is derived. Further, the number of antennas, users and relay transmit power, and the proportion of high precision ADC system influence of parameters on the achievable rate. In addition, according to several typical scenarios, the paper respectively gives the asymptotic expression of the achievable rate, reflects the system asymptotic performance can be well by all of ADC's "equivalent" (on average) to characterize the accuracy. Simulation results show that the hybrid ADC architecture can achieve good tradeoff between power consumption and the performance, provide effective technical support for the actual deployment of large-scale MIMO.

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN919.3

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本文編號(hào)：1453089