本文關(guān)鍵詞： 大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng) 多對(duì)雙向中繼 硬件失真 信道估計(jì)誤差 全雙工　出處：《北京交通大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：第四代(4th generation,4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模商用。目前世界各國(guó)都在大力研究第五代(5th generation,5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)。為了滿足5G極高的性能指標(biāo),大規(guī)模MIMO(Massive Multiple-Input Multiple-Output)作為可以極大提高系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)之一被廣泛研究。大規(guī)模MIMO通過部署成百上千根天線,在同一頻譜資源上同時(shí)傳輸多路信號(hào),可以有效利用稀缺而寶貴的頻帶資源,大幅度提升系統(tǒng)容量。另一方面,物聯(lián)網(wǎng)作為5G重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一,不僅需要極大的系統(tǒng)容量,并且需要支持海量設(shè)備同時(shí)通信。所以,大規(guī)模MIMO多對(duì)雙向中繼(Multi-pair Two-way Relay)系統(tǒng)憑借其允許多組設(shè)備同時(shí)通信以及系統(tǒng)容量高等特點(diǎn),符合5G物聯(lián)網(wǎng)海量連接與通信的需求,是目前5G物聯(lián)網(wǎng)的研究熱點(diǎn)。本文首先針對(duì)大規(guī)模MIMO成本過高問題,提出基于低成本射頻鏈路的大規(guī)模MIMO半雙工多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)架構(gòu)。針對(duì)低成本射頻鏈路引入的硬件失真(Hardware Impairment)問題,分析其對(duì)系統(tǒng)頻譜和能量效率的影響,并基于大數(shù)定理推導(dǎo)出天線數(shù)量趨近于無窮時(shí)該系統(tǒng)頻譜和能量效率的近似閉式表達(dá)式,得到使能量效率最優(yōu)的天線數(shù)和設(shè)備對(duì)數(shù)。另外,本文提出了該場(chǎng)景下的硬件縮放定律(Hardware Scaling Law),證明可以通過部署多根低成本的天線節(jié)約硬件成本而系統(tǒng)性能沒有損失。然后,針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中難以獲取準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息問題,提出基于硬件失真的大規(guī)模MIMO半雙工多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)信道估計(jì)誤差模型。研究證明系統(tǒng)頻譜效率與能量效率會(huì)隨著信道估計(jì)誤差的增加而降低。該場(chǎng)景下的硬件縮放定律證明,信道估計(jì)誤差會(huì)增加硬件部署成本,中繼需要部署更多的天線才能使系統(tǒng)性能沒有損失。最后,為了進(jìn)一步滿足5G物聯(lián)網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)容量的需求,本文提出基于硬件失真的大規(guī)模MIMO全雙工多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)架構(gòu)。研究證明,全雙工系統(tǒng)能顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率與能量效率。但是,當(dāng)全雙工系統(tǒng)引入的環(huán)路干擾(Loop Interference)較為嚴(yán)重時(shí),系統(tǒng)將失去時(shí)間效率優(yōu)勢(shì),其性能反而低于半雙工系統(tǒng)。同時(shí),本文證明了全雙工系統(tǒng)擁有與半雙工系統(tǒng)相同的硬件縮放定律。綜上所述,本文分析了天線數(shù)量、設(shè)備數(shù)量、信道衰落、硬件失真度、信道估計(jì)誤差以及環(huán)路干擾等參數(shù)對(duì)大規(guī)模MIMO多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)性能的影響,為實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。研究表明,該系統(tǒng)可提高5G物聯(lián)網(wǎng)海量連接與通信場(chǎng)景高速數(shù)據(jù)傳輸能力。
[Abstract]:The 4th generation 4th Generation 4G) mobile communication system has been widely used. At present, all countries in the world are making great efforts to study the 5th Generation Generation 5G mobile communication system. In order to meet the extremely high performance index of 5G, Large-scale MIMO(Massive Multiple-Input Multiple-Output has been widely studied as one of the key technologies that can greatly improve the system capacity. Large-scale MIMO transmits multiple signals simultaneously over the same spectrum resource by deploying hundreds of antennas. On the other hand, as one of the important application scenarios of 5G, the Internet of things not only needs great system capacity, Therefore, the large scale MIMO multi-pair multi-pair Two-way Relay system, which allows multiple sets of devices to communicate at the same time and has high system capacity, meets the needs of mass connectivity and communication in the 5G Internet of things. 5G Internet of things is a hot research topic. Firstly, this paper aims at the problem of high cost of large-scale MIMO. This paper presents a large scale MIMO half-duplex multi-pair bidirectional relay system architecture based on low cost RF link. Aiming at the problem of hardware distortion introduced by low cost RF link, this paper analyzes its influence on the spectrum and energy efficiency of the system. Based on the large number theorem, an approximate closed-form expression of the frequency spectrum and energy efficiency of the system is derived when the antenna number approaches infinity, and the number of antennas and the logarithm of the equipment are obtained to optimize the energy efficiency. In this paper, the hardware scaling law and hardware Scaling law in this scenario are presented. It is proved that the hardware cost can be saved by deploying multiple low-cost antennas without loss of system performance. Then, it is difficult to obtain accurate channel state information in practical scenarios. A large scale MIMO half-duplex multi-pair channel estimation error model based on hardware distortion is proposed. It is proved that the spectral efficiency and energy efficiency of the system decrease with the increase of channel estimation error. The laws of scaling prove that, Channel estimation error will increase the cost of hardware deployment, and the relay will need to deploy more antennas to make the system performance without loss. Finally, in order to further meet the 5G Internet of things system capacity requirements, In this paper, a large scale MIMO full-duplex multi-pair bidirectional relay system architecture based on hardware distortion is proposed. It is proved that the full-duplex system can significantly improve the spectral efficiency and energy efficiency of the system. When the loop interference introduced into the full-duplex system is more serious, the system will lose the advantage of time efficiency, and its performance will be lower than that of the half-duplex system. In this paper, we prove that the full-duplex system has the same law of hardware scaling as the half-duplex system. In summary, we analyze the number of antennas, the number of devices, the channel fading, the hardware distortion. The influence of parameters such as channel estimation error and loop interference on the performance of large scale MIMO multi-pair two-way relay system provides theoretical guidance for practical system design. This system can improve 5 G Internet of things mass connection and communication scene high speed data transmission ability.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN919.3

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本文編號(hào)：1549515