協(xié)作MIMO系統(tǒng)的預編碼技術(shù)和頻譜有效性研究.pdf

1、MIMO技術(shù)為通信系統(tǒng)帶來了復用增益、分集增益和陣列增益，可以大大地提高系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率。然而，如果將MIMO技術(shù)直接應用于傳統(tǒng)同頻組網(wǎng)的蜂窩系統(tǒng)中，會存在較為嚴重的小區(qū)間干擾，極大地限制了系統(tǒng)頻譜效率的提高。大規(guī)模MIMO技術(shù)是一種有效地降低小區(qū)間干擾的方法，它通過在基站端配置大規(guī)模天線陣列以此替代目前的多天線，深度挖掘和利用空間維度無線資源，可以進一步提高系統(tǒng)的傳輸效率并降低能耗。然而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能嚴重依賴于基站端

2、配置天線的個數(shù)。研究結(jié)果表明，協(xié)作MIMO技術(shù)可以有效地抑制小區(qū)間干擾，大幅度地提升系統(tǒng)尤其是小區(qū)邊緣用戶的性能，而且還可以大大降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)對天線個數(shù)的要求。本文考慮兩種協(xié)作MIMO系統(tǒng)，分別是基站協(xié)作MIMO系統(tǒng)和同一基站不同遠程天線單元間協(xié)作的大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)。在基站協(xié)作MIMO系統(tǒng)中，設計不同協(xié)作場景中針對不同優(yōu)化目標的預編碼。在大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)中，分別分析采用線性接收機和線性預編碼時系統(tǒng)的上下行頻譜有效

3、性。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛巳绾蔚玫絻捎脩鬗ISO干擾信道帕累托速率邊界的閉式解及其在數(shù)據(jù)共享場景中的應用。給出了兩用戶MISO干擾信道的等價信道模型，利用該等價信道模型簡化最優(yōu)波束成形向量的求解過程。在給出兩用戶MISO干擾信道帕累托邊界的完整描述之后，提出了擬最優(yōu)的分布式波束成形算法。將優(yōu)化變量從預編碼向量轉(zhuǎn)換為新定義的角度變量，以此重新描述非凸的加權(quán)和速率最大化問題。提出加權(quán)泄露信號噪聲比最小化問題，建立它與通過忽

4、略加權(quán)和速率最大化問題非有效限制條件得到的非受限優(yōu)化問題間的等價關(guān)系，基于該等價關(guān)系提出了一個集中式加權(quán)泄露信號噪聲比最小化算法來找到本地最優(yōu)加權(quán)和速率點，算法的每一步都可以通過求解閉合表達式得到。利用高信干噪比近似，論文還提出了一種只利用本地信道狀態(tài)信息的分布式波束成形算法。此外，基于分層信道的觀點，論文利用一種啟發(fā)式功率分配機制將MISO干擾信道中的波束成形算法推廣到了數(shù)據(jù)共享場景。仿真結(jié)果表明集中式算法可以得到本地最優(yōu)加權(quán)和速率性

5、能，分布式算法僅利用本地信道狀態(tài)信息得到了非常接近于最優(yōu)的性能。
　?、苹谏舷滦袑ε祭碚摚撐难芯苛硕嘈^(qū)多用戶動態(tài)協(xié)作場景中的預編碼設計問題。上下行對偶理論是一種非常有效的優(yōu)化下行預編碼問題的方法。然而，靜態(tài)協(xié)作場景中的波束成形對偶理論，雖然應用起來較為簡單，但是系統(tǒng)的性能仍然受限于簇間干擾。論文將波束成形對偶理論推廣到適應于任何協(xié)作機制的動態(tài)協(xié)作場景，建立了多小區(qū)多用戶動態(tài)協(xié)作場景中的上下行對偶關(guān)系，通過對偶上行優(yōu)化問題求解

6、考慮每基站功率受限在滿足給定每用戶信干噪比目標的情況下最小化總發(fā)送功率的優(yōu)化問題，給出了波束成形最優(yōu)性的條件，并利用拉格朗日對偶理論推導了最優(yōu)的下行波束成形設計。仿真結(jié)果驗證了所提算法具有較好的收斂性，而且所提算法在MISO干擾信道中利用最大發(fā)送功率達到了最優(yōu)的和速率性能，在數(shù)據(jù)共享場景具有更好的能量效率。
　?、强紤]導頻污染，論文分析了大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)的上行頻譜有效性。基于Gamma隨機變量的性質(zhì)，論文推導了單小區(qū)多用戶

7、大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比接收時上行可達速率的閉合表達式?？紤]最小均方誤差信道估計，論文給出了多小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)具有導頻污染時的等價信道模型，基于該等價信道模型，推導了多小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比接收時上行可達速率的閉合表達式。論文還分別給出了單小區(qū)和多小區(qū)大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)當發(fā)送天線數(shù)與用戶數(shù)之間的比值趨于無窮大時的上行極限速率表達式。此外，論文利用推導出的速率閉合表達式分析了系統(tǒng)的頻

8、譜有效性，并將大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜性能在不同場景下進行分析比較。仿真結(jié)果表明，我們推導的閉合表達式即使是在天線數(shù)較少的情況下都能很好地逼近真實值，而且在總的發(fā)送天線個數(shù)相同時大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)相較大規(guī)模MIMO系統(tǒng)具有較大的性能增益。
　　⑷針對聯(lián)合相關(guān)信道模型，論文分析了考慮導頻污染時大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)的下行頻譜有效性。對于一般的信道模型，當考慮遠程天線單元的天線間具有相關(guān)性時很難給出頻

9、譜效率的計算表達式，因此論文針對具體的物理信道模型推導可達速率的閉合表達式。論文推導了當遠程天線單元的天線間具有相關(guān)性時單小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比發(fā)射預編碼時下行可達速率的閉合表達式，并驗證了該表達式的準確性。考慮導頻污染，論文給出了考慮遠程天線單元的天線間具有相關(guān)性時的等價信道模型，在此等價模型下，推導了多小區(qū)多用戶大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)采用最大比發(fā)射預編碼時下行可達速率的閉合表達式，并給出了當總發(fā)送天線數(shù)與用戶

10、數(shù)之間的比值趨于無窮大時下行極限速率的表達式。仿真結(jié)果表明我們推導的閉合表達式在總發(fā)送天線數(shù)與用戶數(shù)之間比值的所有區(qū)間內(nèi)都能很好地逼近仿真結(jié)果。另外當用戶分布在小區(qū)邊界和最差位置分布點時，我們還分別比較了大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的可達速率性能。仿真結(jié)果表明，相較大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，大規(guī)模分布式MIMO系統(tǒng)在不同的場景中都獲得了較大的性能增益。本章的理論結(jié)果可以應用到基站天線集中放置的大規(guī)模MIMO、網(wǎng)絡MIMO以及基