基于低精度ADC接收機(jī)的大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)性能研究.pdf

1、為應(yīng)對(duì)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的持續(xù)迅猛增長(zhǎng)，第五代(5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)要求能夠提供千倍數(shù)量級(jí)的容量增長(zhǎng)以及支持每秒高達(dá)數(shù)千兆比特的高速數(shù)據(jù)傳輸。在無(wú)線(xiàn)資源日趨緊張的情況下，大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)能夠充分挖掘空間資源，大幅提升頻譜效率和能量效率，成為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。在帶來(lái)巨大性能增益的同時(shí)，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)面臨著海量數(shù)據(jù)處理、硬件成本昂貴、系統(tǒng)總功率消耗龐大等問(wèn)題。有效解決上述問(wèn)題的技術(shù)手段之一是降低接收機(jī)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

2、的精度，從而達(dá)到以低成本、低功耗、低復(fù)雜度部署大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的目的。本文將針對(duì)采用低精度ADC接收機(jī)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)展開(kāi)研究，重點(diǎn)考察低精度量化對(duì)系統(tǒng)性能與信道估計(jì)帶來(lái)的影響。
　　首先，研究低精度量化大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于理想信道狀態(tài)信息(CSI)的可達(dá)速率與能量效率。通過(guò)對(duì)量化相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研，選擇加性噪聲模型對(duì)ADC量化過(guò)程進(jìn)行建模，得到用于分析有限精度量化的系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上假設(shè)接收端已知CSI，推導(dǎo)出基站采用最

3、大比合并接收(MRC)時(shí)的上行可達(dá)速率近似表達(dá)式。隨后基于該近似式研究量化比特?cái)?shù)、發(fā)送功率等參數(shù)對(duì)可達(dá)和速率的影響，重點(diǎn)對(duì)比有限精度量化與理想量化的性能差異。接下來(lái)對(duì)發(fā)射機(jī)功耗進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，研究能量效率與量化比特?cái)?shù)的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，在基站端配置低精度ADC接收機(jī)在保證和速率損失較小的條件下，能夠顯著提升能量效率。
　　接著，研究低精度量化大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的信道估計(jì)，并對(duì)導(dǎo)頻發(fā)送功率及長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化?？紤]基于導(dǎo)頻訓(xùn)練獲取CSI

4、的時(shí)分雙工制式的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型，給出利用最小均方誤差(MMSE)信道估計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行MRC接收時(shí)的用戶(hù)遍歷速率定義式，通過(guò)對(duì)遍歷速率定義式進(jìn)行合理有效近似，得到基于MMSE信道估計(jì)的近似可達(dá)速率顯示表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上對(duì)特殊場(chǎng)景進(jìn)行分析，同時(shí)利用該式對(duì)導(dǎo)頻長(zhǎng)度、導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)的發(fā)送功率提出三種不同的優(yōu)化方式。仿真結(jié)果表明，考慮ADC量化將會(huì)給信道估計(jì)與導(dǎo)頻優(yōu)化帶來(lái)較大影響，在量化精度較低的情況下，增加導(dǎo)頻序列長(zhǎng)度能比增加導(dǎo)頻發(fā)送功率更有

5、效提升信道估計(jì)質(zhì)量，獲得更高的和速率性能。
　　最后，研究混合精度ADC架構(gòu)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于理想CSI的可達(dá)速率與能量效率。首先建立基站配置混合精度ADC接收機(jī)的系統(tǒng)模型，然后給出混合ADC架構(gòu)下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)利用理想CSI進(jìn)行MRC接收時(shí)的可達(dá)速率近似表達(dá)。緊接著分析接收機(jī)各部分功耗，考慮ADC結(jié)構(gòu)差異對(duì)配置不同量化精度ADC的接收機(jī)功耗進(jìn)行建模，并將其用于能量效率分析。仿真結(jié)果表明，與統(tǒng)一配置高精度ADC接收機(jī)相比