本文關(guān)鍵詞：時分雙工多小區(qū)多用戶MIMO上行系統(tǒng)性能研究

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【摘要】：MIMO(Multiple-input Multiple-output,多入多出)技術(shù)利用多天線信道所提供的復(fù)用增益、分集增益和陣列增益可以大大地提高系統(tǒng)的頻譜效率和鏈路可靠性。MIMO技術(shù)對系統(tǒng)性能的提升取決于發(fā)射接收機的性能、信道狀態(tài)及信道狀態(tài)信息的獲取程度。將MIMO技術(shù)直接應(yīng)用于傳統(tǒng)同頻組網(wǎng)的蜂窩系統(tǒng)中,會存在小區(qū)間干擾,導(dǎo)致系統(tǒng)性能大大降低。當(dāng)基站端天線數(shù)目趨于無窮時(大規(guī)模MIMO),多用戶信道趨于正交,加性高斯白噪聲以及互不相關(guān)的小區(qū)間干擾等負(fù)面影響全都可以忽略不計。在多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)中,受限于信道相干時間,正交導(dǎo)頻序列的數(shù)目是有限的,不可避免要在多個小區(qū)中重復(fù)使用這些正交的導(dǎo)頻序列,導(dǎo)致基站端只能通過被鄰小區(qū)干擾的導(dǎo)頻信號進行信道估計,造成導(dǎo)頻污染現(xiàn)象。目前,大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的最大性能瓶頸在于導(dǎo)頻污染。本文主要針對TDD(Time Division Duplexing,時分雙工)工作模式下多小區(qū)多用戶M1MO上行系統(tǒng)進行研究,主要內(nèi)容如下:首先,推導(dǎo)了類似于維納系統(tǒng)模型的情況下,多小區(qū)多用戶系統(tǒng)采用MMSE(Minimum Mean Square Error,最小均方誤差)檢測時相關(guān)(接收天線端,即基站側(cè)相關(guān))瑞利衰落信道下系統(tǒng)的誤符號率(SER,Symbol Error Rate)的閉合表達(dá)式。提出了估計信道的等效模型,根據(jù)該等效模型,計算出基站采用MMSE檢測技術(shù)時目標(biāo)小區(qū)用戶SINR(Signal to Interference and Noise Ratio,信干噪比)的估值;利用SINR估值的特性,推導(dǎo)了發(fā)射信號采用未編碼M-PSK(M-ary Phase Shift Keying)信號時,用戶SER的閉合表達(dá)式。根據(jù)該表達(dá)式分析了小區(qū)間干擾強度、同時調(diào)度的用戶數(shù)、導(dǎo)頻污染對SER的影響。當(dāng)信道相關(guān)矩陣的特征值完全相同或完全不同時,SER的表達(dá)式可以得到進一步簡化。且當(dāng)上行訓(xùn)練及上行傳輸階段的SNR趨于無窮時,基站端天線的相關(guān)性對SER沒有影響,與獨立同分布瑞利衰落信道的SER相同。對于一般系統(tǒng)模型,當(dāng)基站端天線間沒有相關(guān)性時,且目標(biāo)基站用戶MMSE信道估計的等效信道模型的大尺度衰落系數(shù)完全不等時,可以得到SER的簡化表達(dá)式。其次,研究獨立同分布瑞利衰落信道模型中導(dǎo)頻污染條件下的分集-速率折中性能�；静捎肔MMSE估計信道和MMSE接收機,系統(tǒng)模型與第二章相同。分別討論了高信噪比和有限信噪比時分集-速率的性能。在高信噪比時,因為導(dǎo)頻污染和鄰小區(qū)干擾的影響,不管目標(biāo)速率為多少,用戶均無法獲得分集增益。在有限信噪比時,用戶可以獲得一定的分集增益,這取決于用戶的目標(biāo)速率、用戶和基站天線數(shù)、導(dǎo)頻及用戶數(shù)據(jù)功率比。仿真表明給定用戶速率的條件下,分集增益隨著信噪比先上升,然后下降,最后趨于0。分集增益最大點對應(yīng)信噪比隨著天線數(shù)的增加而降低。導(dǎo)頻信號功率的提升對用戶最大分集增益的影響很小,只是使用戶分集增益最大值對應(yīng)的信噪比隨著導(dǎo)頻信號功率的提升而降低。然后,分析了導(dǎo)頻污染及信道信息延遲條件下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)采用MMSE接收機時的上行和速率。推導(dǎo)了基站已知完全CSI(Channel State Information,信道狀態(tài)信息)時系統(tǒng)和速率的表達(dá)式,給出當(dāng)基站天線數(shù)與用戶數(shù)間比值趨于無窮大時,上行和速率的表達(dá)式。從而驗證了對于理想CSI,當(dāng)天線個數(shù)趨于無窮時,和速率等于沒有干擾的單小區(qū)的和容量。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)推導(dǎo)了信道時間相關(guān)為Jakes模型,采用LMMSE信道估計時,信道估計和預(yù)測后的等效模型,根據(jù)該等效模型,推導(dǎo)了存在信道信息延遲及導(dǎo)頻污染時,系統(tǒng)和速率的表達(dá)式,給出當(dāng)基站天線數(shù)與用戶數(shù)間比值趨于無窮大時,上行和速率的表達(dá)式,并展開了分析。大規(guī)模天線陣列不僅可以補償用戶發(fā)送功率,也可以用于補償用戶高速移動所帶來的性能損失。而且當(dāng)基站天線數(shù)與用戶數(shù)間比值趨于無窮大時,如果調(diào)度各小區(qū)使用同一導(dǎo)頻序列的用戶具有完全相同的時間相關(guān)系數(shù),系統(tǒng)和速率與零延遲系統(tǒng)和速率相同。仿真結(jié)果驗證了所推公式的準(zhǔn)確性。最后,分析了相關(guān)萊斯衰落信道下系統(tǒng)的頻譜有效性。推導(dǎo)了基于導(dǎo)頻輔助的LMMSE信道估計和直接以LOS(Line-of-Sight,直達(dá)徑)分量為信道估計這兩種信道估計方案下,MRC(Maximum Ratio Combining,最大比合并)接收時系統(tǒng)可達(dá)速率的閉合表達(dá)式,仿真結(jié)果表明該閉合表達(dá)式即使在基站天線數(shù)較小時都是非常精確的。因?qū)ьl污染的影響,當(dāng)基站天線數(shù)趨于無窮大時,基于導(dǎo)頻輔助LMMSE信道估計的可達(dá)速率將趨于有限值,該極限速率的閉合表達(dá)式表明,極限速率將隨著萊斯因子的增加而增加。以LOS分量為信道估計的極限速率隨著天線數(shù)呈線性增長趨勢。這就意味著隨著天線數(shù)的增加,以LOS分量為信道估計的上行速率與基于導(dǎo)頻輔助的LMMSE信道估計的上行速率的差距逐漸縮小,在一定天線數(shù)值后,以LOS分量為信道估計的上行速率將逐漸高出基于導(dǎo)頻輔助的LMMSE信道估計的上行速率。萊斯因子越大,轉(zhuǎn)折點處的天線數(shù)越小。以LOS分量為信道估計的極限速率的閉合表達(dá)式還表明:對于萊斯信道,天線相關(guān)性會造成用戶LOS部分可達(dá)速率的增加或降低(取決于用戶所處位置的不同)。所以當(dāng)給定的用戶位置造成了 LOS部分可達(dá)速率增加,那么隨著萊斯因子的增加,LOS分量的作用越來越強,基于導(dǎo)頻輔助LMMSE信道估計的上行速率便會呈現(xiàn)出隨著天線相關(guān)性而增加的現(xiàn)象。此外,還討論了兩種方案下的功率縮放問題,當(dāng)基站天線數(shù)趨于無窮大時,兩種方案功率縮放后的漸進表達(dá)式一致,與基站端相關(guān)性無關(guān),且縮放因子最大不超過1。對于萊斯信道,隨著天線數(shù)的增加,以LOS分量為信道估計的速率會超過基于導(dǎo)頻輔助LMMSE信道估計的速率,且兩種方案下功率縮放性能相同,基于以上兩點,在大規(guī)模MIMO條件下,基于導(dǎo)頻輔助的LMMSE估計的意義不大。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN919.3

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