Massive MIMO系統(tǒng)下行預編碼性能及方案研究.pdf

1、理論研究表明，在基站側使用大量天線的Massive MIMO系統(tǒng)可以極大提高系統(tǒng)的容量或降低功耗。然而，Massive MIMO系統(tǒng)在實際應用中會不可避免地遇到以下兩個硬件導致的問題:一、上下行鏈路使用不同器件會導致硬件失配，改變信道特性，從而影響系統(tǒng)性能;二、發(fā)射機的IQ支路失衡，會導致發(fā)射信號的變形，從而降低傳統(tǒng)線性預編碼器的性能。本文針對存在以上兩個硬件問題的Massive MIMO系統(tǒng)，對下行鏈路的預編碼方案進行了設計和性能分析

2、。全文主要工作如下:
　　一、分析了Massive MIMO系統(tǒng)下行鏈路采用MF和RZF預編碼時的接收端SINR性能:1）利用隨機數(shù)學工具，推導了發(fā)送端采用MF預編碼時接收端的SINR概率分布;2）在天線數(shù)目趨于無窮大的條件下，對發(fā)送端采用MF和RZF預編碼時接收端的SINR進行了漸進分析，得到如下結論:對于MF預編碼，當天線數(shù)目N與用戶數(shù)目U成比例趨于無窮時，也即U=βN，那么每個用戶的漸進SINR為比例系數(shù)的倒數(shù)1/β，此時增

3、加平均發(fā)送功率P0并不能提升系統(tǒng)性能;當用戶數(shù)足夠大時，每個用戶的漸進SINR為NP0/[P0(U-1）+ln(NU)];當N趨于無窮大時，SINR決定于平均發(fā)送功率P0與ln N/N的比例;3）推導了RZF預編碼下接收端SINR的閉合表達式。
　　二、分析了Massive MIMO系統(tǒng)在上下行鏈路存在硬件失配時線性預編碼方案的性能:1）針對存在路徑損耗的瑞利衰落信道，推導了任意功率分配的條件下MF、RZF預編碼在硬件失配時的可達

4、速率;2）推導了MF、RZF預編碼方案可達速率的上界，該上界僅與用戶數(shù)和基站天線數(shù)的比值及硬件失配參數(shù)的數(shù)字特征有關;3）比較了不同硬件失配校準算法的等效功率增益，證明了Pre-Cal校準算法的等效功率增益優(yōu)于Post-Cal校準算法。
　　三、在每個用戶配備單天線的下行Massive MIMO系統(tǒng)場景下，針對存在IQ失衡的發(fā)射機，設計了廣義線性預編碼方案并分析了其性能:1）推導了IQ失衡條件下的實數(shù)接收信號模型，在此模型下對不需

5、要IQ失衡參數(shù)估計的WL-ZF-R預編碼進行了性能分析，證明了WL-ZF-R預編碼在有IQ失衡時的復用增益，與ZF預編碼在沒有IQ失衡時的復用增益相同;2）在復數(shù)接收信號模型下，推導了需要IQ失衡參數(shù)估計的WL-MMSE-C預編碼方案，在不考慮IQ失衡參數(shù)的估計誤差時，該方案性能與無IQ失衡情形下的MMSE預編碼一致;3）提出了降低待估參數(shù)的數(shù)目的方法，在此基礎上提出了DLS-RNP和ALS-RNP這兩種低復雜度的IQ失衡參數(shù)估計方案;

6、4）利用Krylov子空間方法，提出了簡化ZF和MMSE預編碼算法中矩陣求逆運算的共軛梯度迭代算法。
　　四、在每個用戶配備多根天線的下行Massive MIMO系統(tǒng)場景下，針對存在IQ失衡的發(fā)射機，設計了低復雜度的廣義線性預編碼方案并分析了性能:1）推導了BD類預編碼方案在實數(shù)信號模型下的表達形式，利用矩陣求逆的Taylor展開，提出了降低WL-BD預編碼方案計算復雜度的方法;2)推導了WL-BD預編碼和速率以及復用增益的表達式