大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中高效傳輸方法的研究

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中高效傳輸方法的研究大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)是第五代(5G)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù),具有較高的能效和譜效。當(dāng)基站天線數(shù)很大時(shí),使用簡單的線性處理就可以獲得滿意的性能。但是大規(guī)模天線陣列增加了線性處理的復(fù)雜度和基站的部署成本。為了降低復(fù)雜度和成本,本論文從線性處理和天線兩個方面,深入研究了“大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中高效傳輸方法的研究”這一課題,充分利用統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息(CSI),提出了多種高效的傳輸方法,并進(jìn)行了性能分析。研究內(nèi)容涉及基于多項(xiàng)式擬合的大規(guī)模MIMO信道預(yù)測器、大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效的天線數(shù)和發(fā)射功率聯(lián)合優(yōu)化方法、基于多項(xiàng)式展開的大規(guī)模MIMO接收機(jī)、三維(3D)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中低復(fù)雜度的雙層波束成形和3D大規(guī)模MIMO系統(tǒng)利用基站天線下傾角進(jìn)行無線攜能通信(SWIPT)的傳輸方法。具體研究內(nèi)容和主要貢獻(xiàn)現(xiàn)述如下:1.針對考慮延遲CSI的大規(guī)模MIMO系統(tǒng),提出了一種低復(fù)雜度的基于多項(xiàng)式擬合的信道預(yù)測器,減少運(yùn)算時(shí)間和處理延遲。多項(xiàng)式擬合預(yù)測器只需要非常少的CSI觀測樣本,就可以估計(jì)現(xiàn)有的CSI。與傳統(tǒng)的維納預(yù)測器相比,多項(xiàng)式擬合預(yù)測器無需對信道統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行估計(jì),也避免了矩陣求逆運(yùn)算。首先分析得到了僅與統(tǒng)計(jì)CSI有關(guān)的近似SINR,仿真驗(yàn)證了該近似值與實(shí)際值十分接近。然后比較了完美CSI、維納預(yù)測器和多項(xiàng)式擬合預(yù)測器的單用戶平均速率的近似差距,還分析了預(yù)測器的歸一化均方誤差(NMSE)。在一個更實(shí)際和更一般的離開角(AoD)譜模型下研究性能,該模型具有一個集中方向和一個擴(kuò)展因子,當(dāng)AoD譜模型的集中方向的角度和擴(kuò)展因子較小,且多項(xiàng)式擬合預(yù)測器采用一個合適的預(yù)測階數(shù)時(shí),可以取得令人滿意的性能。2.針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中使用最小均方誤差(MMSE)接收機(jī)的場景,以最大化能效為準(zhǔn)則提出了聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的迭代算法。首先推導(dǎo)了使用MMSE接收機(jī)時(shí)的近似可達(dá)速率,仿真實(shí)驗(yàn)表明該近似值與實(shí)際值非常接近。接著以近似可達(dá)速率為基礎(chǔ),構(gòu)建能效最大化的優(yōu)化問題,約束條件為可達(dá)速率目標(biāo)和發(fā)射功率限制。該優(yōu)化問題是分式規(guī)劃問題,將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性規(guī)劃問題,并提出了聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和發(fā)射功率的迭代算法。該算法只需統(tǒng)計(jì)CSI,而無需大維的瞬時(shí)信道信息,因此在若干個信道相干時(shí)間內(nèi)都無需重新運(yùn)行,復(fù)雜度較低。為了比較,還研究了迫零(ZF)接收機(jī)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了針對MMSE接收機(jī)提出的優(yōu)化算法在能效方面要優(yōu)于ZF接收機(jī),并且可以大大減少基站天線數(shù),降低基站部署成本。3.針對上行大規(guī)模MIMO系統(tǒng),采用截?cái)喽囗?xiàng)式展開(TPE)接收機(jī),并提出了相應(yīng)的上行功控算法,交替優(yōu)化了用戶的發(fā)射功率和TPE接收機(jī)的多項(xiàng)式系數(shù)。TPE接收機(jī)避免了ZF和MMSE接收機(jī)中的矩陣求逆運(yùn)算,具有較低的復(fù)雜度。首先得到了使用TPE接收機(jī)的近似SINR。據(jù)此構(gòu)造以最小化所有用戶的總發(fā)射功率為目標(biāo)的優(yōu)化問題,約束條件為單用戶的SINR目標(biāo)和單用戶的發(fā)射功率限制。然后提出了優(yōu)化用戶的發(fā)射功率和TPE接收機(jī)的多項(xiàng)式系數(shù)的迭代算法,該算法只與統(tǒng)計(jì)信道信息有關(guān)。為了比較,還研究了ZF和MMSE接收機(jī)的上行功控算法。分析了三種接收機(jī)的復(fù)雜度,在天線數(shù)很多時(shí),TPE接收機(jī)的復(fù)雜度最低。仿真結(jié)果表明,在SINR目標(biāo)較低時(shí),TPE接收機(jī)的性能十分接近ZF和MMSE接收機(jī),當(dāng)SINR目標(biāo)較高時(shí),通過使用足夠多的TPE項(xiàng)數(shù)或足夠多的基站天線,可以減小TPE接收機(jī)與ZF和MMSE接收機(jī)之間的性能差距。4.針對配置均勻矩形天線陣(URA)的3D大規(guī)模MIMO系統(tǒng),提出了低復(fù)雜度的雙層波束成形,其中第二層預(yù)波束成形是水平和垂直離散傅立葉變換(DFT)預(yù)波束成形的Kronecker乘積。首先使用DFT預(yù)波束成形將小區(qū)進(jìn)行分割,然后提出了一個基于統(tǒng)計(jì)CSI的低復(fù)雜度用戶分組算法。DFT預(yù)波束成形與瞬時(shí)信道信息構(gòu)成了低維的等效信道?；诘刃诺?分別對每組用戶進(jìn)行信漏噪比(SLNR)預(yù)編碼。由于鄰組間干擾是組間干擾的主要來源,SLNR預(yù)編碼旨在抵抗組內(nèi)和鄰組間干擾。為了比較,還研究了考慮所有組間干擾和只考慮單個組內(nèi)干擾的SLNR預(yù)編碼。最后使用確定性等價(jià)方法分析了所提方案的近似SINR,仿真結(jié)果驗(yàn)證了近似SINR很接近實(shí)際SINR,同時(shí)也證明了本方案在性能和復(fù)雜度之間取得了一個較好的平衡。5.針對3D大規(guī)模MIMO系統(tǒng),提出了利用基站天線下傾角進(jìn)行無線攜能通信的傳輸算法?；静捎闷ヅ錇V波(MF)預(yù)編碼,用戶采用功率劃分(PS)技術(shù)進(jìn)行信息解碼(ID)和能量獲取(EH)。為了提高SWIPT效率,開發(fā)垂直維度,聯(lián)合優(yōu)化基站天線下傾角、功率分配和PS比。以最小化發(fā)射功率為目