大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能分析及系統(tǒng)設計.pdf

1、大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO，multiple-input-multiple-output)被認為是下一代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術之一，能支撐高速率的移動通信業(yè)務。利用基站端或者用戶端配置的大規(guī)模天線陣列，可以大幅度提升系統(tǒng)吞吐量，并從統(tǒng)計信道狀態(tài)信息(CSI，channel state information)中獲益。此外，除了提升頻譜效率，大規(guī)模MIMO配置同樣能夠提升系統(tǒng)的能量效率。然而，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能受到導頻資源的嚴格限

2、制?；谝陨蟿訖C，本文研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)相關的性能分析和系統(tǒng)設計問題。
　　首先，考慮中繼輔助的MIMO蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路，其中，每個小區(qū)配置多個放大轉發(fā)(AF，amplify-and-forward)中繼站，目標是得到這類系統(tǒng)上行遍歷和速率的確定性表達式?？紤]大規(guī)模MIMO維度的場景，得到了兩個漸進性的和速率表達式，分別對應于固定用戶數(shù)和用戶數(shù)較大的情況。同時考慮了任意MIMO維度而用戶數(shù)較大的情況，利用非漸進性分析得到了

3、和速率的上下界，和速率以較大概率落在該上下界內，且在用戶數(shù)較大時上下界較緊。非漸進性分析分別考慮了單小區(qū)和多小區(qū)的場景，其中，后者假設完全基站協(xié)作策略。數(shù)值試驗結果表明，這些確定性和速率表達式和蒙特卡羅仿真結果一致，因此，它們可以用作設計和分析中繼輔助的大規(guī)模MIMO蜂窩系統(tǒng)的有效工具。
　　其次，研究了多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行鏈路中和速率最優(yōu)的預編碼。具體地，關注的是只基于統(tǒng)計CSI的傳輸預編碼設計?？紤]部分協(xié)作系統(tǒng)，即只有

4、CSI在小區(qū)間共享，每個小區(qū)的基站解碼其小區(qū)內用戶的信號，并將小區(qū)外用戶的信號視作有色高斯噪聲。得到了遍歷和速率及其在總的用戶天線數(shù)和基站天線數(shù)較大時的確定性逼近，并在滿足發(fā)射功率約束的條件下，通過最大化該確定性逼近，得到了必要最優(yōu)條件，并據(jù)此提出了梯度搜索算法以計算局部最優(yōu)的預編碼。進而，考慮超級小區(qū)系統(tǒng)，即所有小區(qū)內的所有用戶信號被聯(lián)合解碼的場景，得到了其和速率的確定性逼近并給出了最優(yōu)預編碼設計。數(shù)值試驗的結果表明，相比無預編碼系統(tǒng)

5、，所提出的預編碼能夠達到較大的性能增益，而和現(xiàn)存的需要完美CSI的預編碼方案相比，所提出預編碼只需要統(tǒng)計CSI且能達到相似的和速率。
　　接著，研究了在多小區(qū)導頻復用的情況下，針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行鏈路的魯棒均衡器，利用最差情況方法進行可以對抗導頻污染的魯棒性設計。在基站天線數(shù)較大且信道模型未知時，建立了一個新的模型，以表示即時信道矩陣和不完美的信道估計之間的關系。基于此模型，將魯棒均衡器設計問題表述為一個最小最大化問題，并將

6、該最小最大化問題轉化為一個無約束問題，據(jù)此得到最優(yōu)條件。利用得到的最優(yōu)條件，提出了兩個迭代算法和一個簡化的逼近方法來計算最優(yōu)的魯棒均衡器。利用仿真試驗來評估所提出算法的性能，和傳統(tǒng)的均衡器相比，所提出的魯棒均衡器可以達到更優(yōu)的誤比特率(BER，bit error rate)性能，尤其是在信噪比(SNR，signal-to-noise ratio)較高，即導頻污染較為嚴重時。
　　最后，研究了采用大規(guī)模基站天線和軟協(xié)作策略的異構網(wǎng)絡

7、(HetNet，heterogenous network)中，基于波束成形的能量有效傳輸方案。考慮傳輸功率互異的多個宏基站和微基站共存的異構網(wǎng)絡，采用軟協(xié)作策略，即只有CSI在宏基站和微基站之間共享。將能效問題表述為在滿足每個用戶信干噪比(SINR，signal-to-interference-noise ratio)的條件下，最小化總傳輸功率的問題。根據(jù)該問題的對偶問題，得到了能效波束成形向量的結構，并利用大規(guī)模MIMO分析方法，得到