隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,稀缺的頻譜資源越來(lái)越難以滿足人們對(duì)更高數(shù)據(jù)速率和更低時(shí)延的需求。全雙工技術(shù)通過(guò)在同一頻率資源內(nèi)同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào),理論情況下可以獲得雙倍頻譜效率,進(jìn)而緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀。全雙工技術(shù)的雙倍頻譜效率特點(diǎn)使雙向中繼成為其最理想應(yīng)用場(chǎng)景。此外,多用戶多輸入多輸出(MIMO,multiple-input multiple-output)技術(shù)通過(guò)利用空間復(fù)用增益能大幅度提高頻譜利用率。而大規(guī)模天線陣列通過(guò)利用很大數(shù)量的天線,比如幾百甚至上千根的天線,可以提供比傳統(tǒng)多天線技術(shù)大很多的分集增益、波束賦形增益和空間復(fù)用增益,進(jìn)而可以極大的改善系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。在本論文中,為了最大效率利用頻譜資源,我們率先提出將大規(guī)模MIMO技術(shù)應(yīng)用在全雙工雙向中繼系統(tǒng)并研究其性能。針對(duì)全雙工自干擾,本論文考慮實(shí)施傳統(tǒng)自干擾消除技術(shù)之后的殘留自干擾。由于系統(tǒng)性能主要受限于全雙工殘留自干擾和雙向中繼通信造成的各項(xiàng)干擾。因此,本論文主要研究大規(guī)模天線對(duì)系統(tǒng)中各項(xiàng)干擾的抑制能力,并且分析系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率性能,以及通過(guò)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)和功率控制等進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。本論文的主要成果包括:1.大規(guī)模MIMO針對(duì)全雙工殘留自干擾的相對(duì)抑制作用分析考慮完美信道狀態(tài)信息,在中繼天線數(shù)趨向于無(wú)窮大時(shí),本論文分析了大規(guī)模天線對(duì)全雙工殘留自干擾的相對(duì)抑制能力,提出并研究了各種功率降低方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響。系統(tǒng)模型建模為一對(duì)全雙工用戶利用大規(guī)模天線全雙工中繼相互交換信息。中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,并利用最大比合并最大比發(fā)送線性信號(hào)處理技術(shù)接收和發(fā)送信號(hào)。本論文提出了多種特定的功率降低方案,使節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率隨天線數(shù)的增大而降低�；谔岢龅墓β式档头桨�,推導(dǎo)了系統(tǒng)漸近頻譜效率。證明了增大中繼天線數(shù)可以獲得很大的陣列增益,從而可以相對(duì)降低全雙工殘留自干擾在用戶端的影響。此外,我們證明了也可以通過(guò)隨天線數(shù)增大適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率去降低該干擾的影響。并且,適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率時(shí),頻譜效率損失較小,從而能量效率得到提升。進(jìn)而,針對(duì)更一般性的功率降低方案,我們總結(jié)了功率降低指數(shù)因子對(duì)系統(tǒng)性能的影響。2.基于大規(guī)模MIMO的全雙工雙向中繼系統(tǒng)的頻譜、能量效率等性能分析針對(duì)多對(duì)用戶全雙工雙向大規(guī)模天線中繼系統(tǒng),在完美信道狀態(tài)信息下,當(dāng)中繼天線數(shù)趨向于無(wú)窮大時(shí),本論文研究了系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率性能,并分析了大規(guī)模MIMO對(duì)鄰近用戶干擾和其他用戶對(duì)干擾的抑制作用�？紤]放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中繼,并分別采用最大比合并最大比發(fā)送和迫零接收迫零發(fā)送等線性信號(hào)處理技術(shù)。為改善能量效率,提出四種典型的節(jié)點(diǎn)功率降低方案,并據(jù)此推導(dǎo)了當(dāng)天線數(shù)無(wú)窮大時(shí)系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。進(jìn)一步證明了用戶端由于全雙工節(jié)點(diǎn)造成的殘留自干擾可以通過(guò)隨天線數(shù)增加適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率來(lái)消除。此外,證明了由于雙向通信和多對(duì)用戶造成的鄰近用戶干擾和其他用戶對(duì)干擾也可以通過(guò)增加中繼天線數(shù)來(lái)消除。接著,比較了最大比合并最大比發(fā)送和迫零接收迫零發(fā)送技術(shù)的漸近頻譜效率性能,并分析了用戶對(duì)數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻譜效率的影響。基于實(shí)際的功率損耗模型,我們?cè)u(píng)估了系統(tǒng)的能量效率,還研究了中繼天線數(shù)對(duì)不同功率降低方案的系統(tǒng)能量效率的影響。證明了所提出的功率降低方案可以在頻譜效率和能量效率之間取得較好折衷。最后,分析比較了全雙工模式和半雙工模式的性能,并給出了全雙工模式優(yōu)于半雙工模式的針對(duì)殘留自干擾水平的可達(dá)區(qū)域。3.基于大規(guī)模MIMO的全雙工雙向中繼系統(tǒng)的性能優(yōu)化針對(duì)多對(duì)用戶全雙工雙向大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng),考慮非完美信道狀態(tài)信息,在中繼天線數(shù)有限的情況下,我們利用統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息推導(dǎo)出了系統(tǒng)遍歷和速率閉合表達(dá)式。為了改善系統(tǒng)性能,本論文提出了一種新型導(dǎo)頻發(fā)送方案,證明可以在信道相干時(shí)間較小時(shí)極大的提升系統(tǒng)性能。此外,我們還針對(duì)功率控制進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)性能。具體地,中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,并利用最大比合并最大比發(fā)送線性信號(hào)處理技術(shù)。論文利用統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息,基于傳統(tǒng)的正交導(dǎo)頻發(fā)送方案和最小二乘信道估計(jì)算法,推導(dǎo)了中繼天線數(shù)很大時(shí)系統(tǒng)遍歷和速率的近似表達(dá)式,并證明了該近似是一個(gè)緊性近似。論文接著提出了一種新型導(dǎo)頻發(fā)送方案用來(lái)估計(jì)每個(gè)用戶對(duì)的復(fù)合信道信息,旨在降低導(dǎo)頻開(kāi)銷,并基于新型導(dǎo)頻發(fā)送方案推導(dǎo)了和速率近似表達(dá)式。通過(guò)比較兩種導(dǎo)頻發(fā)送方案的和速率,給出了一種方案優(yōu)于另一種方案的充分條件。此外,分別基于和速率最大化和最大最小公平設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,論文提出了針對(duì)用戶和中繼的功率分配算法。最后,通過(guò)仿真分析,證明了當(dāng)中繼天線數(shù)很大時(shí),該系統(tǒng)在系統(tǒng)和速率方面優(yōu)于相應(yīng)的單向全雙工中繼方案和雙向半雙工中繼方案。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【文章目錄】：
摘要
abstract
符號(hào)對(duì)照表
縮略語(yǔ)對(duì)照表
第一章 緒論
    1.1 論文研究背景
        1.1.1 全雙工技術(shù)
        1.1.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)
        1.1.3 中繼通信
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 全雙工自干擾消除技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.2.3 全雙工中繼通信研究現(xiàn)狀
    1.3 論文研究意義
    1.4 論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)
        1.4.1 論文的主要內(nèi)容
        1.4.2 論文結(jié)構(gòu)
第二章 基于大規(guī)模MIMO的全雙工雙向中繼殘留自干擾分析
    2.1 引言
    2.2 系統(tǒng)模型
        2.2.1 殘留全雙工自干擾模型
        2.2.2 頻譜效率
    2.3 漸近頻譜效率及殘留自干擾抑制分析
        2.3.1 傳統(tǒng)功率降低方案漸近頻譜效率推導(dǎo)
        2.3.2 一般的功率降低方案的情況
    2.4 數(shù)值結(jié)果和討論
    2.5 本章小結(jié)
第三章 理想情況下全雙工雙向中繼頻譜及能量效率分析
    3.1 引言
    3.2 系統(tǒng)模型
        3.2.1 系統(tǒng)頻譜效率
        3.2.2 系統(tǒng)能量效率
    3.3 中繼采用MRC/MRT時(shí)漸近SINR分析
    3.4 中繼采用ZFR/ZFT時(shí)漸近SINR分析
    3.5 性能比較及能量效率分析
        3.5.1 MRC/MRT與ZFR/ZFT之間的性能對(duì)比
        3.5.2 用戶對(duì)數(shù)對(duì)頻譜效率性能的影響
        3.5.3 能量效率分析
        3.5.4 全雙工模式與半雙工模式的對(duì)比
    3.6 數(shù)值結(jié)果和討論
        3.6.1 頻譜效率
        3.6.2 用戶對(duì)數(shù)K對(duì)頻譜效率的影響
        3.6.3 能量效率分析
        3.6.4 全雙工模式與半雙工模式對(duì)比
    3.7 本章小結(jié)
第四章 非理想情況下全雙工雙向中繼性能優(yōu)化
    4.1 引言
    4.2 系統(tǒng)模型
    4.3 獨(dú)立用戶信道估計(jì)可達(dá)速率分析
        4.3.1 獨(dú)立用戶信道估計(jì)
        4.3.2 系統(tǒng)可達(dá)速率下邊界
        4.3.3 和速率近似表達(dá)式
    4.4 復(fù)合用戶信道估計(jì)可達(dá)速率分析
        4.4.1 復(fù)合用戶信道估計(jì)
        4.4.2 復(fù)合信道估計(jì)和速率近似表達(dá)式
    4.5 性能評(píng)估及優(yōu)化
        4.5.1 兩種導(dǎo)頻發(fā)送方案性能對(duì)比
        4.5.2 功率控制
    4.6 數(shù)值結(jié)果和討論
        4.6.1 基于統(tǒng)計(jì)信息的系統(tǒng)和速率
        4.6.2 獨(dú)立和復(fù)合用戶信道估計(jì)的性能對(duì)比
        4.6.3 功率優(yōu)化
        4.6.4 對(duì)比其他模型方案
    4.7 本章小結(jié)
第五章 全文總結(jié)及研究展望
    5.1 主要結(jié)論和貢獻(xiàn)
    5.2 研究展望
附錄A 命題 4.1 的證明
附錄B 定理 4.2 的證明
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
攻讀學(xué)位期間參與的項(xiàng)目
攻讀學(xué)位期間申請(qǐng)的專利

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