【摘要】：作為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,大規(guī)模MIMO(Massive Multiple Input Multiple Output,Massive MIMO)技術(shù)在傳輸速率、能量效率等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),因此成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。然而,在實(shí)際系統(tǒng)中,受用戶分布、衰落類型和基站天線數(shù)等因素的綜合影響,尋求復(fù)合衰落信道下和速率簡(jiǎn)潔的表達(dá)形式,并以此為性能指標(biāo),設(shè)計(jì)低開銷、低復(fù)雜度的預(yù)編碼是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)且至關(guān)重要的工作。本文針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中用戶分布的疏密性、大量天線時(shí)編碼方案的復(fù)雜度、復(fù)合衰落下系統(tǒng)速率的直接解、天線數(shù)趨于無窮時(shí)和速率的漸近性等問題,依次從“大規(guī)模”、“分布式”和“大規(guī)模分布式”三個(gè)側(cè)面展開研究。首先,在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,本文針對(duì)用戶具有疏密分布的特征,研究了對(duì)孤立用戶的干擾進(jìn)行分類減輕的預(yù)編碼;然后,在分布式MIMO系統(tǒng)中,針對(duì)服從瑞利-對(duì)數(shù)正態(tài)分布的復(fù)合衰落信道,研究了系統(tǒng)的和速率,并以此為性能指標(biāo)研究了帶有功率分配功能的預(yù)編碼;最后,在大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)中,針對(duì)天線數(shù)量極大甚至趨于無窮的情況,研究了系統(tǒng)的和速率及其漸近特性。具體來講,本文的主要工作和成果如下:1.提出了適用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的,基于干擾分類減輕的預(yù)編碼算法。此項(xiàng)工作針對(duì)用戶疏密分布的特點(diǎn),首先基于高聚用戶信道相關(guān)矩陣的特征,定義了用戶團(tuán)和孤立用戶兩種用戶單元;然后借助子空間填充問題(Subspace Packing Problem)中的弦距離(Chordal Distance)和富比尼學(xué)習(xí)距離(Fubini-Study Distance)度量準(zhǔn)則,提出了結(jié)合用戶單元的主項(xiàng)階特征空間相似性和對(duì)孤立用戶的干擾進(jìn)行分類減輕的用戶分組方法;接著設(shè)計(jì)了基于干擾分類的預(yù)編碼算法,在用戶組之間采用近似塊對(duì)角化(Approximated Block Diagonalization)的預(yù)賦形消減組間干擾(Inter-Group Interference),在用戶組內(nèi)部通過干擾消除輔助的迫零(Zero Forcing,ZF)和正則迫零(Regularized ZF,RZF)預(yù)編碼消減組內(nèi)干擾(Intra-Group Interference)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該分組和預(yù)編碼算法的有效性,并對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有所啟發(fā)。2.提出了適用于分布式MIMO系統(tǒng)的,復(fù)合衰落信道下的和速率分析方法。此項(xiàng)工作針對(duì)復(fù)合衰落信道對(duì)系統(tǒng)的重要影響,在迫零和判決反饋迫零(Decision Feedback Zero Forcing,DF-ZF,以下簡(jiǎn)稱DF)兩種接收機(jī)制下,首先基于隨機(jī)矩陣?yán)碚?通過對(duì)難積分的巧妙處理,獲得了和速率關(guān)于信噪比負(fù)冪次方的級(jí)數(shù)表達(dá)式;然后利用該形式快速收斂的特點(diǎn),僅使用其前三項(xiàng)作為對(duì)系統(tǒng)性能直接而簡(jiǎn)潔的評(píng)價(jià)指標(biāo),提出了分布式發(fā)射功率約束下最大化系統(tǒng)和速率的最優(yōu)功率分配算法;接著基于該最佳功率下的對(duì)角陣形式預(yù)編碼,僅利用信道的二階統(tǒng)計(jì)信息,提出了帶有功率分配功能的全矩陣形式預(yù)編碼。這里,外層預(yù)編碼只需要信道的二階統(tǒng)計(jì)信息就可以大幅提升系統(tǒng)性能,而內(nèi)層預(yù)編碼則通過功率優(yōu)化使系統(tǒng)的和速率最大化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了和速率表達(dá)式的正確性、有效性,以及全矩陣預(yù)編碼的優(yōu)越性。3.提出了適用于大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)的,和速率的漸近分析方法。此項(xiàng)工作針對(duì)“大規(guī)模”場(chǎng)景下小尺度衰落和噪聲的影響降低、而“分布式”結(jié)構(gòu)中大尺度衰落的作用日益凸顯的特點(diǎn),從建立復(fù)合衰落信道下ZF和DF兩種接收機(jī)的信號(hào)傳輸模型入手。一方面,對(duì)原始問題中復(fù)雜的和速率進(jìn)行求解,提出了分析系統(tǒng)和速率的一般方法。即先基于隨機(jī)矩陣?yán)碚搶⒑退俾时硎緸槎胤e分的形式,再通過對(duì)難積分的處理將和速率的分析問題轉(zhuǎn)化為對(duì)不完全伽馬函數(shù)的處理問題,最終得到和速率關(guān)于天線數(shù)的級(jí)數(shù)展開式。另一方面,充分發(fā)掘和速率表達(dá)式的良好數(shù)學(xué)特性,并借助托普利茲矩陣的相關(guān)理論,獲得了天線數(shù)趨于無窮時(shí)和速率的漸近結(jié)果。其穩(wěn)態(tài)特性在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面具有重要的參考意義。仿真結(jié)果驗(yàn)證了和速率表達(dá)式的正確性,并反映了不同參數(shù)對(duì)和速率的影響。
【圖文】：

1.5無線通信系統(tǒng)中的衰落信道衰落的分類和相互關(guān)系如圖1.5所示[59]。其中，小尺度衰落是指信號(hào)在傳輸過程中，由于受到多徑傳播和收發(fā)端相對(duì)位移的影響，而在短時(shí)間、小范圍尺度上產(chǎn)生的信號(hào)幅度和相位的變化。一方面，信號(hào)通過多條路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間有先后之分，因此，接收端的接收信號(hào)因相位差異會(huì)產(chǎn)生相長或相消的效果。受多徑信號(hào)時(shí)延擴(kuò)展的影響，當(dāng)時(shí)域上信號(hào)周期大于多徑時(shí)延擴(kuò)展，或者頻域上信號(hào)帶寬小于相干帶寬時(shí)，，發(fā)生的衰落稱之為平坦衰落；反之，為頻率選擇性衰落。另一方面，在收發(fā)端由于相對(duì)位移發(fā)生改變而引起的多普勒效應(yīng)中，信道具有時(shí)變的特征。當(dāng)時(shí)域上信號(hào)周期小于相干時(shí)間
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN919.3

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本文編號(hào)：2711612