大規(guī)模MIMO多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)性能分析.pdf

1、第四代(4th generation，4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模商用。目前世界各國都在大力研究第五代(5th generation，5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)。為了滿足5G極高的性能指標(biāo)，大規(guī)模MIMO(Massive Multiple-Input Multiple-Output)作為可以極大提高系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)之一被廣泛研究。大規(guī)模MIMO通過部署成百上千根天線，在同一頻譜資源上同時(shí)傳輸多路信號(hào)，可以有效利用稀缺而寶貴的頻帶資源，大幅度提

2、升系統(tǒng)容量。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)作為5G重要的應(yīng)用場景之一，不僅需要極大的系統(tǒng)容量，并且需要支持海量設(shè)備同時(shí)通信。所以，大規(guī)模MIMO多對(duì)雙向中繼(Multi-pair Two-way Relay)系統(tǒng)憑借其允許多組設(shè)備同時(shí)通信以及系統(tǒng)容量高等特點(diǎn)，符合5G物聯(lián)網(wǎng)海量連接與通信的需求，是目前5G物聯(lián)網(wǎng)的研究熱點(diǎn)。
　　本文首先針對(duì)大規(guī)模MIMO成本過高問題，提出基于低成本射頻鏈路的大規(guī)模MIMO半雙工多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)架構(gòu)。針對(duì)低成本射

3、頻鏈路引入的硬件失真(Hardware Impairment)問題，分析其對(duì)系統(tǒng)頻譜和能量效率的影響，并基于大數(shù)定理推導(dǎo)出天線數(shù)量趨近于無窮時(shí)該系統(tǒng)頻譜和能量效率的近似閉式表達(dá)式，得到使能量效率最優(yōu)的天線數(shù)和設(shè)備對(duì)數(shù)。另外，本文提出了該場景下的硬件縮放定律(Hardware Scaling Law)，證明可以通過部署多根低成本的天線節(jié)約硬件成本而系統(tǒng)性能沒有損失。
　　然后，針對(duì)實(shí)際場景中難以獲取準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息問題，提出基于硬

4、件失真的大規(guī)模MIMO半雙工多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)信道估計(jì)誤差模型。研究證明系統(tǒng)頻譜效率與能量效率會(huì)隨著信道估計(jì)誤差的增加而降低。該場景下的硬件縮放定律證明，信道估計(jì)誤差會(huì)增加硬件部署成本，中繼需要部署更多的天線才能使系統(tǒng)性能沒有損失。
　　最后，為了進(jìn)一步滿足5G物聯(lián)網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)容量的需求，本文提出基于硬件失真的大規(guī)模MIMO全雙工多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)架構(gòu)。研究證明，全雙工系統(tǒng)能顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率與能量效率。但是，當(dāng)全雙工系統(tǒng)引入的環(huán)路干