本文選題：大規(guī)模MIMO　切入點：容量分析　出處：《中國科學技術大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：為滿足第五代移動通信系統(tǒng)提升1000倍系統(tǒng)容量的需求,通信系統(tǒng)中無線傳輸技術和網(wǎng)絡技術得到廣泛關注。由于低頻帶資源的有限性和高頻帶頻譜資源的實現(xiàn)復雜性,能有效提升系統(tǒng)頻譜效率的大規(guī)模多輸入多輸出(massive multiple-input multiple-output,massive MIMO)技術成為學術界和工業(yè)界的研究熱點。在相同時頻資源下,大規(guī)模MIMO通過在基站端配置大量收發(fā)天線,利用高的空間自由度消除干擾和調(diào)度更多用戶而提升系統(tǒng)頻譜效率、能量效率等性能。然而,具有良好信道傳輸特性下的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)容量不能準確刻畫實際系統(tǒng)容量,也不能對高復雜度的預編碼方案形成有效的理論指導和優(yōu)化。為此,準確刻畫大規(guī)模MIMO系統(tǒng)實際場景下的容量和設計有效的預編碼方案將十分必要。本文主要關注大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的容量分析和預編碼技術研究。通過推導點對點、多用戶和多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)容量的解析表達式為參數(shù)優(yōu)化和性能評估提供理論指導,并針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中高計算量的問題設計有效的預編碼方案以滿足系統(tǒng)速率需求。為了達到研究目的,需要對新的數(shù)學工具——隨機矩陣理論(random matrix theory,RMT)進行深入學習和研究。本論文的主要工作和貢獻如下:(1)點對點大規(guī)模MIMO系統(tǒng)容量分析本研究點主要關注于非中心威沙特矩陣下點對點大規(guī)模MIMO系統(tǒng)非漸近等價容量分析。本文利用指數(shù)均值函數(shù)對容量均值進行近似,并根據(jù)矩陣特征多項式的相關引理獲得近似函數(shù)的解析形式;基于隨機矩陣譜測度的集中性,采用兩種不同拖尾分布的概率測度來表征矩陣譜分布。通過構造相應的凸函數(shù)以滿足兩種測度的需求,從而推導了非中心威沙特矩陣的譜測度的集中性和相應的收斂概率。最后基于譜測度的集中性和所推導函數(shù)的解析形式獲得容量的上下界�；谠摻馕鋈萘勘磉_式可以分析相應參數(shù)對容量的影響。(2)上下行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)漸近等價容量分析及優(yōu)化本研究點將同時考慮空間和時間相關性對可達速率的影響,通過構建空時相關性模型來表征空時相關性對接收信號的影響,并分別在上行單小區(qū)系統(tǒng)和下行多小區(qū)系統(tǒng)中進行可達速率分析。在單小區(qū)系統(tǒng)中,由于迫零接收機信干噪比(signal-to-interference-and-noiseratio,SINR)表達式的復雜形式而先推導了可達速率的上下界。緊接著,應用漸近等價分析方法推導了迫零接收機上下界和匹配濾波接收機速率的漸近等價表達式。基于此,分析了空時相關性參數(shù)對系統(tǒng)可達速率的影響。由于迫零和匹配濾波接收機具有不同的速率性能和實現(xiàn)復雜度,本文經(jīng)過分析兩接收機的性能差值函數(shù),提出一種基于最優(yōu)切換點的接收框架方案以實現(xiàn)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中接收機性能和復雜度的折中。在上述工作的基礎上,緊接著研究了多小區(qū)系統(tǒng)漸近等價可達速率。在多小區(qū)系統(tǒng)中,導頻復用引起的信道估計誤差將不能忽略,該研究采用最小均方誤差估計獲得信道信息。同樣地,采用漸近等價分析方法獲得三種常用預編碼系統(tǒng)的漸近等價表達式。通過分析發(fā)現(xiàn)漸近等價SINR與小尺度衰落無關,與大尺度衰落和空間相關性參數(shù)有關,且與時間相關性參數(shù)的平方呈現(xiàn)性關系。仿真結果表明,相對于匹配濾波預編碼系統(tǒng),正則化迫零和迫零預編碼系統(tǒng)對空間相關性參數(shù)更加魯棒。(3)在信道估計誤差場景下設計多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)預編碼基于上述漸近等價分析方法,本研究點在信道估計誤差場景下為多小區(qū)系統(tǒng)設計低復雜度的預編碼。本文首先研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中滿足溢出概率約束的最小化發(fā)射功率問題,其中信道估計誤差采用隨機(Stochastic)模型。通過對非凸概率約束進行縮放,提出了上下行對偶法求解非凸優(yōu)化問題;在對偶法基礎上,根據(jù)漸近等價分析方法進一步提出僅需要協(xié)作基站間交互信道大尺度信息的分布式算法,以減少大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中信令開銷。由于上述Stochastic模型很難為低復雜度預編碼設計提供直觀的解析形式,因此形成了基于線性信道估計誤差Gauss-Markov模型的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)最小化發(fā)射功率問題。應用上下行對偶法可解決多小區(qū)預編碼設計問題,利用所推導的上下行SINR的漸近等價式可以設計協(xié)作預編碼和功率分配。仿真表明所提預編碼設計方案能降低算法計算復雜度和減少系統(tǒng)信令開銷,且具有快速收斂性。
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【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN919.3

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本文編號：1591607