大規(guī)模天線系統(tǒng)容量分析和預(yù)編碼技術(shù)研究.pdf

1、為滿足第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)提升1000倍系統(tǒng)容量的需求，通信系統(tǒng)中無線傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到廣泛關(guān)注。由于低頻帶資源的有限性和高頻帶頻譜資源的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性，能有效提升系統(tǒng)頻譜效率的大規(guī)模多輸入多輸出(massivemultiple-input multiple-output，massive MIMO)技術(shù)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。在相同時(shí)頻資源下，大規(guī)模MIMO通過在基站端配置大量收發(fā)天線，利用高的空間自由度消除干擾和調(diào)度更多用戶而提升

2、系統(tǒng)頻譜效率、能量效率等性能。然而，具有良好信道傳輸特性下的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)容量不能準(zhǔn)確刻畫實(shí)際系統(tǒng)容量，也不能對高復(fù)雜度的預(yù)編碼方案形成有效的理論指導(dǎo)和優(yōu)化。為此，準(zhǔn)確刻畫大規(guī)模MIMO系統(tǒng)實(shí)際場景下的容量和設(shè)計(jì)有效的預(yù)編碼方案將十分必要。
　　本文主要關(guān)注大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的容量分析和預(yù)編碼技術(shù)研究。通過推導(dǎo)點(diǎn)對點(diǎn)、多用戶和多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)容量的解析表達(dá)式為參數(shù)優(yōu)化和性能評估提供理論指導(dǎo)，并針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中

3、高計(jì)算量的問題設(shè)計(jì)有效的預(yù)編碼方案以滿足系統(tǒng)速率需求。為了達(dá)到研究目的，需要對新的數(shù)學(xué)工具——隨機(jī)矩陣?yán)碚摚╮andom matrix theory，RMT）進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究。
　　本論文的主要工作和貢獻(xiàn)如下:
　　(1)點(diǎn)對點(diǎn)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)容量分析
　　本研究點(diǎn)主要關(guān)注于非中心威沙特矩陣下點(diǎn)對點(diǎn)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)非漸近等價(jià)容量分析。本文利用指數(shù)均值函數(shù)對容量均值進(jìn)行近似，并根據(jù)矩陣特征多項(xiàng)式的相關(guān)引理獲得近似函

4、數(shù)的解析形式;基于隨機(jī)矩陣譜測度的集中性，采用兩種不同拖尾分布的概率測度來表征矩陣譜分布。通過構(gòu)造相應(yīng)的凸函數(shù)以滿足兩種測度的需求，從而推導(dǎo)了非中心威沙特矩陣的譜測度的集中性和相應(yīng)的收斂概率。最后基于譜測度的集中性和所推導(dǎo)函數(shù)的解析形式獲得容量的上下界?；谠摻馕鋈萘勘磉_(dá)式可以分析相應(yīng)參數(shù)對容量的影響。
　　(2)上下行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)漸近等價(jià)容量分析及優(yōu)化
　　本研究點(diǎn)將同時(shí)考慮空間和時(shí)間相關(guān)性對可達(dá)速率的影響，通過構(gòu)建

5、空時(shí)相關(guān)性模型來表征空時(shí)相關(guān)性對接收信號的影響，并分別在上行單小區(qū)系統(tǒng)和下行多小區(qū)系統(tǒng)中進(jìn)行可達(dá)速率分析。在單小區(qū)系統(tǒng)中，由于迫零接收機(jī)信干噪比(signal-to-interference-and-noise ratio，SINR)表達(dá)式的復(fù)雜形式而先推導(dǎo)了可達(dá)速率的上下界。緊接著，應(yīng)用漸近等價(jià)分析方法推導(dǎo)了迫零接收機(jī)上下界和匹配濾波接收機(jī)速率的漸近等價(jià)表達(dá)式?；诖?，分析了空時(shí)相關(guān)性參數(shù)對系統(tǒng)可達(dá)速率的影響。由于迫零和匹配濾波接收機(jī)

6、具有不同的速率性能和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，本文經(jīng)過分析兩接收機(jī)的性能差值函數(shù)，提出一種基于最優(yōu)切換點(diǎn)的接收框架方案以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中接收機(jī)性能和復(fù)雜度的折中。在上述工作的基礎(chǔ)上，緊接著研究了多小區(qū)系統(tǒng)漸近等價(jià)可達(dá)速率。在多小區(qū)系統(tǒng)中，導(dǎo)頻復(fù)用引起的信道估計(jì)誤差將不能忽略，該研究采用最小均方誤差估計(jì)獲得信道信息。同樣地，采用漸近等價(jià)分析方法獲得三種常用預(yù)編碼系統(tǒng)的漸近等價(jià)表達(dá)式。通過分析發(fā)現(xiàn)漸近等價(jià)SINR與小尺度衰落無關(guān)，與大尺度衰落和空

7、間相關(guān)性參數(shù)有關(guān)，且與時(shí)間相關(guān)性參數(shù)的平方呈現(xiàn)性關(guān)系。仿真結(jié)果表明，相對于匹配濾波預(yù)編碼系統(tǒng)，正則化迫零和迫零預(yù)編碼系統(tǒng)對空間相關(guān)性參數(shù)更加魯棒。
　　(3)在信道估計(jì)誤差場景下設(shè)計(jì)多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼
　　基于上述漸近等價(jià)分析方法，本研究點(diǎn)在信道估計(jì)誤差場景下為多小區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)低復(fù)雜度的預(yù)編碼。本文首先研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中滿足溢出概率約束的最小化發(fā)射功率問題，其中信道估計(jì)誤差采用隨機(jī)(Stochastic)模

8、型。通過對非凸概率約束進(jìn)行縮放，提出了上下行對偶法求解非凸優(yōu)化問題;在對偶法基礎(chǔ)上，根據(jù)漸近等價(jià)分析方法進(jìn)一步提出僅需要協(xié)作基站間交互信道大尺度信息的分布式算法，以減少大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中信令開銷。由于上述Stochastic模型很難為低復(fù)雜度預(yù)編碼設(shè)計(jì)提供直觀的解析形式，因此形成了基于線性信道估計(jì)誤差Gauss-Markov模型的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)最小化發(fā)射功率問題。應(yīng)用上下行對偶法可解決多小區(qū)預(yù)編碼設(shè)計(jì)問題，利用所推導(dǎo)的上下行SIN