面向B4G-5G的大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、為了應對無線通信數(shù)據(jù)量的迅猛增長以及智能接入終端數(shù)量的大幅增加，業(yè)內(nèi)已開始著眼于面向2020年之后的第五代移動通信系統(tǒng)(5G)的技術研究以及標準化制定工作，尤其是針對5G系統(tǒng)重新定義了峰值速率、用戶體驗速率、移動性、端到端時延、連接數(shù)密度、流量密度、網(wǎng)絡頻譜效率和能量效率等八大關鍵能力指標。為了在有限的時頻資源下實現(xiàn)這些指標要求，5G系統(tǒng)引入了多種能進一步挖掘頻譜效率潛力的超高效能無線傳輸技術。其中，基于大規(guī)模多輸入多輸出(Massiv

2、eMIMO，或稱為Large-scale MIMO)的無線傳輸技術，通過大數(shù)量天線的使用，深度挖掘空間維度資源，獲得了諸多不同于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的傳輸特性和物理特性，從而可在不增加時頻資源開銷的情況下使頻譜效率和功率效率在4G系統(tǒng)的基礎上再提升一個量級。因此，大規(guī)模MIMO技術也被業(yè)內(nèi)普遍認為是5G系統(tǒng)的核心技術之一。然而，大規(guī)模MIMO技術在應用過程中仍存在許多有待解決的問題，如頻分雙工(FDD)制式下適度的導頻開銷方案及設計、高能效

3、的綠色大規(guī)模MIMO資源分配、異構網(wǎng)絡大規(guī)模MIMO以及分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的傳輸容量性能分析和移動場景下時變信道特性對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能影響等?；诖耍菊撐拈_展了“面向B4G/5G的大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)關鍵技術研究”這一課題，具體研究內(nèi)容和主要貢獻如下:
　　1.針對大規(guī)模MIMO FDD下行系統(tǒng)，在普適空間相關信道下分析了導頻序列長度隨天線數(shù)以不同速率變化時的系統(tǒng)遍歷可達速率漸進性能，得出可達速率關于導頻長

4、度的解析表達式，并由此推導出了滿足可達速率持續(xù)增長時的導頻長度與天線數(shù)的數(shù)學關系式。推導結果表明:(1)即使在歸一化導頻長度（即導頻長度與天線數(shù)之比）趨于0時，只要天線數(shù)持續(xù)增加，即可保證系統(tǒng)速率無限增加，但其增加速度受到歸一化導頻長度的影響;(2)若固定導頻長度，只增加天線數(shù)，則系統(tǒng)速率將很快出現(xiàn)平臺效應。進一步，在給定導頻序列長度的條件下，提出一種基于可達速率最大化的導頻設計方案。該方案將導頻結構對于信道估計的作用直接反映于系統(tǒng)可達

5、速率，而非單一的考察信道估計的均方誤差性能。仿真結果驗證了所作推導的正確性以及所提出的最優(yōu)導頻方案的性能增益。
　　2.研究了大規(guī)模MIMO FDD系統(tǒng)的下行信道估計與數(shù)據(jù)傳輸兩個階段的聯(lián)合資源分配問題，在保證信道估計階段導頻時長和功率開銷的同時，兼顧數(shù)據(jù)發(fā)送的時長和功率分配。以最大化能效為設計目標，并考慮最小頻譜效率要求和總能耗約束，建立關于導頻時長、導頻功率和數(shù)據(jù)功率的聯(lián)合優(yōu)化模型，提出一種次優(yōu)的低復雜度三層迭代能效優(yōu)化算法。

6、由于目標函數(shù)形式復雜，首先利用確定性等價近似推導出能效目標函數(shù)關于導頻長度、導頻功率以及數(shù)據(jù)功率的解析表達式;在此基礎上，利用分數(shù)規(guī)劃將原目標函數(shù)轉換為帶參數(shù)的等價減式形式，再利用頻譜效率下界對轉換后目標函數(shù)進行縮放，將原非凸問題逐步釋放為凸優(yōu)化問題，最終提出一種三層迭代優(yōu)化算法對其進行求解。同時，給出了該算法的復雜度分析和收斂性證明。最后，針對兩種特殊信道相關陣模型，利用LambertW函數(shù)分別求得了最優(yōu)數(shù)據(jù)功率和最優(yōu)導頻時長的閉合形

7、式解。通過數(shù)值仿真，驗證了不同的信道相關性強弱條件下所提出的迭代算法取得的能效性能增益，并且可以看到本算法具有較快的收斂速率。
　　3.針對多對用戶大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)，研究了理想信道狀態(tài)信息(CSI)和含估計誤差信道狀態(tài)信息情況下，不同中繼預編碼方案的系統(tǒng)頻譜效率性能和功率縮放律。首先，推導了系統(tǒng)平均頻譜效率關于任意中繼天線數(shù)、用戶數(shù)、發(fā)射功率向量以及信道統(tǒng)計量的解析表達式。從推導結果可以看到:(1)理想CSI下，最大比發(fā)送（

8、MRT）和迫零(ZF)方案對應的頻譜效率均隨著中繼天線數(shù)呈近似對數(shù)比例增長關系，與干擾用戶對個數(shù)呈近似對數(shù)反比例關系。(2)非理想CSI下，頻譜效率與天線數(shù)依然滿足上述關系，但由于信道估計誤差引入了更多的用戶間干擾，因而其與用戶對個數(shù)的變化關系更為復雜。當用戶對個數(shù)固定時，給出了頻譜效率的漸進性能表達式。可以看到在理想CSI和非理想CSI下，信源用戶和中繼發(fā)射功率可同時以最大1/N和最大1/√N倍縮放（N為中繼天線數(shù)），且保證頻譜效率維

9、持在固定水平。此外，還分析了當用戶對個數(shù)隨天線數(shù)等比例增長時，系統(tǒng)的頻譜效率漸進性能。結果表明，信源節(jié)點可獲得最大1/√N倍的發(fā)射功率縮放增益，但此時中繼無法獲得功率縮放。這也意味著隨著中繼天線數(shù)增長，系統(tǒng)可以服務更多的用戶，同時降低信源發(fā)射功率，且通過調整用戶對個數(shù)和天線數(shù)的比值，即可滿足用戶的任意頻譜效率要求，這對于5G密集用戶分布場景是極為有利的。仿真結果驗證了所推導的頻譜效率閉合表達式的準確性以及所獲得的發(fā)射功率縮放增益范圍，并

10、對比了兩種預編碼方案下的性能變化趨勢。
　　4.研究了高能效大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)的資源聯(lián)合分配問題。大規(guī)模天線陣列雖然可以大幅降低發(fā)射功耗，但卻使射頻電路功耗成倍增加，從而系統(tǒng)的能效性能受到較大影響，由此對大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)進行了基于能效最大化的發(fā)射功率和天線數(shù)聯(lián)合優(yōu)化。對于MRT預編碼方案，根據(jù)能效目標函數(shù)的性質，分別證明了其關于功率向量和天線數(shù)的擬凹特性，并由此得到了:(1)天線數(shù)一定時的最優(yōu)信源功率和最優(yōu)中繼功率的數(shù)學

11、關系式;(2)在功率向量一定時的最優(yōu)天線數(shù)閉式解。由此，提出一種一維遍歷搜索交替迭代算法。由于該方法的收斂速度和性能受初始值和步長的影響較大，為了加快收斂速度，利用上述最優(yōu)發(fā)射功率關系并結合分式規(guī)劃性質，給出了一種具有超線性收斂速率的基于大信噪比區(qū)間近似的交替迭代優(yōu)化算法。在ZF預編碼方案下，首先利用分數(shù)規(guī)劃將目標函數(shù)等價轉換為帶參數(shù)的減式形式，進而利用目標函數(shù)的部分凸性，從而直接求解得到了最優(yōu)發(fā)射功率和最優(yōu)天線數(shù)的閉合形式解。更為重要

12、的是，所提出的三個算法都只用到了信道統(tǒng)計量和標量計算，且無需信道瞬時信息和大維矩陣運算，大大降低了實際系統(tǒng)中的計算復雜度。仿真結果驗證了所提能效功率分配算法的有效性，并展示了所提算法在較少的迭代次數(shù)下便可收斂到最優(yōu)解。
　　5.針對分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究了移動場景中普適時間相關信道下的頻譜效率性能和功率縮放律。首先，利用高斯馬爾科夫過程對時變信道特性進行建模，以時間相關性系數(shù)表征時變快慢程度。其次，利用大維隨機矩陣理論以及

13、Gamma分布隨機變量特性，推導了單小區(qū)分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在采用MRC接收和MRT預編碼時的包含有信道時變系數(shù)的上下行頻譜效率閉合表達式。進一步，在多小區(qū)分布式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)受到導頻污染和信道時變的雙重影響下，推導了采用MRC接收機時的上行頻譜效率閉合表達式。最后，分別給出了單小區(qū)和多小區(qū)系統(tǒng)中在總天線數(shù)與用戶數(shù)之間的比值趨于無窮大時的頻譜效率漸進解析表達式。從漸進結果中可以看到:(1)在單小區(qū)場景中，雖然頻譜效率極限值隨時間