本文關(guān)鍵詞：低位寬量化下大規(guī)模天線系統(tǒng)接收機設(shè)計的若干問題研究

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【摘要】：通過在基站部署數(shù)百根天線,并在相同的時頻資源塊上同時服務(wù)數(shù)十個用戶,Massive MIMO能夠極大地提升系統(tǒng)的頻譜效率和輻射能量效率,因而被公認為滿足下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能需求的關(guān)鍵技術(shù),近年來受到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注與研究。然而,基站所部署的大規(guī)模天線陣列使得系統(tǒng)的硬件成本和電路功耗急劇提升,對系統(tǒng)設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn),并有可能成為阻礙Massive MIMO大規(guī)模商用的潛在瓶頸。因此,有必要深入探究低硬件成本、高能量效率的Massive MIMO接收機設(shè)計方案,以期實現(xiàn)系統(tǒng)性能與硬件成本以及電路功耗的合理折中。由于ADC的功耗通常占電路功耗的主要部分,且ADC的功耗隨比特位寬近似指數(shù)增長,因此低位寬量化被視為實現(xiàn)能效Massive MIMO接收機設(shè)計的重要途徑。對于低位寬量化下的多天線系統(tǒng),信道容量無閉合結(jié)果,因此本文我們另辟蹊徑,借助信息論工具廣義互信息來推導(dǎo)和優(yōu)化低位寬量化下Massive MIMO系統(tǒng)的可達數(shù)據(jù)速率。我們不僅考察頻率平坦衰落信道,而且考察頻率選擇性衰落信道;除了分析線性接收機的頻譜效率之外,我們還檢驗了非線性接收機的頻譜效率增益。本文的主要貢獻概括如下:1)對于上行窄帶Massive MIMO系統(tǒng),我們提出一種基于Mixed-ADC架構(gòu)的能效接收機設(shè)計方法,來實現(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率與能量效率的合理折中。我們首先考察確定性SIMO信道,給定線性接收機和ADC切換矢量,我們推導(dǎo)出系統(tǒng)廣義互信息的閉合表達式,并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化線性接收機和ADC切換策略,以最大化系統(tǒng)頻譜效率。接著我們將理論分析結(jié)果推廣至遍歷時變衰落信道場景,并探究信道訓(xùn)練和信道估計誤差對系統(tǒng)頻譜效率的影響。我們進一步將理論分析結(jié)果拓展至多用戶場景,并探究頻譜效率與能量消耗的折中關(guān)系。最后通過數(shù)值仿真驗證理論分析結(jié)果。2)我們將Mixed-ADC架構(gòu)推廣至上行寬帶Massive MIMO系統(tǒng),借助OFDM來消除符號間干擾,采用線性頻率域均衡來抑制載波間干擾。同樣我們首先考察確定性SIMO信道,給定線性頻率域均衡器和ADC切換矢量,我們推導(dǎo)出系統(tǒng)廣義互信息的閉合表達式,并反過來優(yōu)化線性頻率域均衡器和ADC切換策略,以最大化系統(tǒng)頻譜效率。接著我們將理論分析結(jié)果拓展至遍歷時變衰落信道場景,并探究信道訓(xùn)練和信道估計誤差對系統(tǒng)頻譜效率的影響。我們進一步將理論分析結(jié)果推廣至多用戶場景,并提出一種低復(fù)雜度的線性頻率域均衡器計算方法。3)我們探究MMSE估計器相比于LMMSE估計器的頻譜效率增益。為了便于分析,我們主要關(guān)注單比特量化下的頻率平坦SIMO信道,并再次借助廣義互信息來推導(dǎo)系統(tǒng)的可達數(shù)據(jù)速率。理論分析結(jié)果表明,當(dāng)接收端的天線數(shù)不超過2時,MMSE估計器與LMMSE估計器的廣義互信息相等。另一方面,數(shù)值結(jié)果表明,隨著接收端天線的增多,MMSE估計器相比于LMMSE估計器的頻譜效率增益越來越顯著。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN919.3

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