大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)預編碼設計及性能分析.pdf

1、大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術能夠顯著提升無線通信頻譜和能量效率，是支撐5G移動通信的關鍵技術之一。隨著基站天線數(shù)目不斷增加，原系統(tǒng)中的熱噪聲效應和多用戶干擾將可以忽略不計，并且簡單的線性波束賦形變得漸近最優(yōu)。另一方面，中繼技術具有增強無線覆蓋，降低發(fā)送功率，以及提升系統(tǒng)可靠性等諸多優(yōu)點?；谏鲜隹紤]，配備大規(guī)模天線陣列的中繼系統(tǒng)得到廣泛關注。然而，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在面

2、向?qū)嶋H部署時遇到一些關鍵挑戰(zhàn)，例如大量射頻鏈路導致功耗過高、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，Analog-to-Digital Converter)成本昂貴等。因此，研究如何以較低成本實現(xiàn)高效大規(guī)模MIMO無線傳輸非常必要。本文主要考慮在實際射頻鏈路數(shù)目受限，以及采用混合精度ADC架構進行接收這兩種場景下，分別對大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的預編碼性能進行一系列研究。
　　首先考慮傳統(tǒng)全射頻鏈路架構的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)，本論文研究了全數(shù)字

3、預編碼方案下的系統(tǒng)性能。針對全雙工中繼，研究了基于大規(guī)模天線陣列以及低發(fā)送功率的自干擾(LI，LoopInterference)消除方案。然后，在非理想信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Infonnation)的場景下，對于全雙工以及半雙工這兩種中繼模式，分別給出了系統(tǒng)可達和速率的近似表達式并進行了仿真驗證。進一步，提出了一種混合雙工方案，針對信道大尺度衰落條件自適應選擇全雙工/半雙工模式，該混合模式相較于單一的雙工模式

4、具有顯著的性能增益。
　　然后，論文對大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的模擬/數(shù)字混合預編碼展開了研究。在實際射頻鏈路少于中繼天線數(shù)的約束下，提出大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的上、下行混合接收/預編碼設汁方法。該方法通過提取信道相位信息來設計模擬預編碼，以獲取陣列增益，而對基帶等效信道采用迫零(ZF，Zero-Forcing)預編碼來消除多用戶干擾(MUI，Multiuser Interference)。在非理想CSI場景下，論文推導了基于該混合

5、預編碼方案的可達和速率近似表達式，并給出了射頻鏈路數(shù)目與天線數(shù)之問關系的顯式表達式。特別地，推導出兩種典型功率縮放場景下的系統(tǒng)漸近性能。針對實際模擬移相器(APS，Analog Phase Shifter)精度有限的問題，研究了相位量化對混合預編碼性能的影響。理論與仿真結果均表明，當天線規(guī)模較大時，該混合預編碼方案性能將趨近于傳統(tǒng)的全數(shù)字預編碼。通過對總功率消耗進行合理建模，論文進一步研究了系統(tǒng)的能量效率(EE，Energy Effic

6、iency)，證明了EE關于發(fā)送功率和射頻鏈路數(shù)是擬凹函數(shù)，從而可通過迭代求解獲得最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)配置。
　　論文最后為解決大量高精度ADC導致功耗與成本過高的問題，研究了基于混合精度ADC架構進行接收的大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)。通過引入加性量化噪聲模型(AQNM，Additive QuantizationNoise Model)，論文在理想CSI和最大比合并(MRC，Maximal Ratio Combining)接收設計下，推導了