【摘要】：隨著我國(guó)社會(huì)信息化深入發(fā)展,智能終端廣泛應(yīng)用,人們對(duì)移動(dòng)通信的高性能需求與日俱增。為應(yīng)對(duì)未來(lái)劇增的移動(dòng)數(shù)據(jù)、海量的設(shè)備連接和低時(shí)延的新型業(yè)務(wù)等,承載著眾多期望的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(The Fifth Generation,5G)應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí),作為5G的核心技術(shù)之一,大規(guī)模多天線(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)MIMO技術(shù),大規(guī)模MIMO技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì):通過(guò)在基站端配備數(shù)十甚至上百的天線就能在不增加系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射功率的前提下大大提高頻譜效率;此外,隨著天線數(shù)的增大,各子信道趨于正交,可進(jìn)一步消除熱噪聲和小區(qū)內(nèi)用戶(hù)間干擾的影響。帶來(lái)這種巨幅增益的同時(shí),大規(guī)模MIMO技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn),其中最為突出的是系統(tǒng)復(fù)雜度、經(jīng)濟(jì)成本和功耗問(wèn)題。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,需要為基站端的每根天線配備一條對(duì)應(yīng)的射頻鏈路,而每條射頻鏈路上都有一個(gè)高采樣率高量化精度的量化器,硬件復(fù)雜度、經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)功耗由此提升,從而制約了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的最終商業(yè)化。因此研究低復(fù)雜度低成本的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)具有重要的理論和實(shí)踐意義。在上述背景下,本文重點(diǎn)圍繞低復(fù)雜度大規(guī)模MIMO關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究,旨在為后期5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和商用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本研究創(chuàng)新點(diǎn)和理論貢獻(xiàn)主要有以下四個(gè)方面:1)對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道容量進(jìn)行了深入研究。首先,考慮實(shí)際通信系統(tǒng)中天線數(shù)有限的情況,通過(guò)建模修正項(xiàng),運(yùn)用矩陣泰勒展開(kāi)和高階統(tǒng)計(jì)量等數(shù)學(xué)工具,分別針對(duì)不同的泰勒展開(kāi)階數(shù),推導(dǎo)得出了系統(tǒng)遍歷信道容量的閉式表達(dá)式。其次,基于該閉式解與理想假設(shè)(天線數(shù)無(wú)窮大時(shí))的信道容量進(jìn)行了對(duì)比分析。最后,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真,驗(yàn)證了所得閉式表達(dá)式的正確性。得出結(jié)論:隨著泰勒展開(kāi)階數(shù)的提高,推導(dǎo)所得的信道容量愈發(fā)接近真實(shí)通信環(huán)境中的信道容量,當(dāng)泰勒展開(kāi)階數(shù)為4時(shí),可幾乎還原實(shí)際通信環(huán)境中的信道容量。因此可通過(guò)所得信道容量閉式表達(dá)式來(lái)分析并衡量系統(tǒng)在實(shí)際通信環(huán)境中的性能,從而降低性能分析的復(fù)雜度。2)對(duì)低精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。首先,針對(duì)窄帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng),考慮系統(tǒng)具有完整信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)的情況,推導(dǎo)得出基站采用最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)檢測(cè)算法時(shí)用戶(hù)上行可達(dá)速率的閉式表達(dá)式。其次,考慮系統(tǒng)具有非完整CSI的情況,推導(dǎo)得出采用線性最小均方誤差(Linear Minimum Mean Square Error,LMMSE)信道估計(jì)算法和MMSE接收機(jī)的用戶(hù)上行可達(dá)速率的閉式解�；谒瞄]式表達(dá)式,對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析,指出在低精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,可通過(guò)增加天線數(shù)來(lái)彌補(bǔ)低精度ADC帶來(lái)的性能損失。通過(guò)與配備高采樣率高量化精度ADC的傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)途却笠?guī)模MIMO系統(tǒng)具有非完整CSI時(shí),要彌補(bǔ)低精度ADC所帶來(lái)的性能損失,采用1比特和2比特ADC的基站至少需要多配備1.5倍和1.1倍的天線。最后,通過(guò)仿真驗(yàn)證了低精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的可行性,證明了在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中可以通過(guò)采用低精度ADC的方式來(lái)降低硬件復(fù)雜度和系統(tǒng)功耗。3)對(duì)混合精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。首先,分別考慮窄帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)和大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng),假設(shè)系統(tǒng)具有非完整CSI和完整CSI的情況,推導(dǎo)得出了接收端采用最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)和迫零(Zero Forcing,ZF)接收機(jī)時(shí)用戶(hù)上行可達(dá)速率的閉式解。其次,與低精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)和傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比,并利用所得閉式解對(duì)系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率進(jìn)行了分析。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了所得結(jié)果的正確性,證明了混合精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在權(quán)衡能量效率和頻譜效率方面的優(yōu)勢(shì),同時(shí)指出在硬件成本允許的條件下,ADC的量化精度為3比特或4比特時(shí)可獲得最佳折中。4)對(duì)低精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中天線選擇技術(shù)進(jìn)行了深入研究。首先,考慮下行大規(guī)模MIMO系統(tǒng),根據(jù)貪心算法和QR分解提出了一種基于最大化信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的天線選擇算法。其次,分析了傳統(tǒng)天線選擇算法不能直接應(yīng)用于低精度大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的原因,通過(guò)綜合考慮量化誤差和信道增益,提出了低精度遞減/遞增天線選擇算法。接著優(yōu)化所提算法的步驟,針對(duì)不同目標(biāo)天線數(shù)分類(lèi)提出了兩種降低計(jì)算復(fù)雜度的雙選算法。最后,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和算法復(fù)雜度的對(duì)比驗(yàn)證了所提算法的有效性,證明了在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中可通過(guò)天線選擇技術(shù)有效減少射頻鏈路的個(gè)數(shù),同時(shí)還可與低精度ADC相結(jié)合,進(jìn)一步降低硬件復(fù)雜度、經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)功耗。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN828.6
【圖文】：

技術(shù)多業(yè)務(wù)的新一代移動(dòng)通信。逡逑１．１．２第五代移動(dòng)通信技術(shù)逡逑大數(shù)據(jù)無(wú)線通信時(shí)代即將到來(lái)，５Ｇ應(yīng)運(yùn)而生，如圖１－２所示，在２０１７年發(fā)逡逑布的視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（Ｖｉｓｕａｌ邋Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ邋Ｉｎｄｅｘ，邋ＶＮＩ）報(bào)告中［３］，Ｃｉｓｃｏ通信公司預(yù)逡逑測(cè)了邋２０１７年到２０２２年間全球產(chǎn)生的ＩＰ邋（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ邋Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）網(wǎng)絡(luò)流量總值，指出逡逑到２０２２年，全球ＩＰ流量每年可高達(dá)４．８邋ＺＢ？，平均每月３９６邋ＥＢ②。而在２０１７年，逡逑ＩＰ網(wǎng)絡(luò)流量總值僅僅為每年１．５邋ＺＢ，平均每月１２２邋ＥＢ。這五年間，ＩＰ流量的復(fù)逡逑合年均增長(zhǎng)率③（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ邋Ａｎｎｕａｌ邋Ｇｒｏｗｔｈ邋Ｒａｔｅ，邋ＣＡＧＲ）竟高達(dá)２６％。更重要的逡逑是，在總的ＩＰ流量中，移動(dòng)設(shè)備和Ｗｉ－Ｆｉ設(shè)備所占比重也從２０１７年的５２％提升逡逑至２０２２年的７１％。因此，為了滿(mǎn)足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)爆炸式增長(zhǎng)的通信需求，５Ｇ通信的逡逑研究具有重大的理論和實(shí)踐意義。逡逑５Ｇ作為目前的移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)

１．１．３大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逡逑大規(guī)模多天線技術(shù)（Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ，又稱(chēng)Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ邋ＭＩＭＯ）最早是２０１０逡逑年由Ｂｅｌｌ實(shí)驗(yàn)室的Ｍａｒｚｅｔｔａ教授提出的１２５］，如圖１－３所示，其核心思想是通過(guò)在逡逑基站端配備數(shù)以百計(jì)的天線同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)工作，從而在不增加帶寬和天線逡逑發(fā)送功率的前提下，極大提高頻譜效率。逡逑文獻(xiàn)［２５］指出，隨著天線數(shù)的增大，大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)可以消除小尺度衰逡逑落和熱噪聲的影響，主要原因是當(dāng)天線數(shù)足夠大時(shí)，信道矩陣的隨機(jī)性消失，奇逡逑異值分布會(huì)接近于確定性函數(shù)，各子信道趨于正交［２６］。除了極大提升系統(tǒng)容量，逡逑大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)還可以節(jié)省發(fā)送功率。文獻(xiàn)［２７－２９］分別針對(duì)萊斯信道和瑞利逡逑信道，在完整ＣＳＩ和非完整ＣＳＩ前提下，研宄了系統(tǒng)容量、發(fā)射功率和天線數(shù)的逡逑關(guān)系，指出無(wú)論在瑞利信道還是萊斯信道，在保持系統(tǒng)容量不變的前提下，隨著逡逑天線數(shù)的增加

圖１－４大規(guī)模多天線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)及其解決辦法逡逑Ｆｉｇ邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ邋ｏｆ邋ｍａｓｓｉｖｅ邋ＭＩＭＯ邋Ｓｙｓｔｅｍ逡逑圖１－４中羅列了本文重點(diǎn)關(guān)注的大規(guī)模ＭＩＭＯ的一些挑戰(zhàn)和相應(yīng)的解決辦逡逑法，后文將逐一介紹：逡逑（１）

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 劉留;陶成;盧艷萍;艾渤;;大規(guī)模多天線無(wú)線信道及容量特性研究[J];北京交通大學(xué)學(xué)報(bào);2015年02期

本文編號(hào)：2775547