全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜與能量效率研究.pdf

1、隨著高性能處理器和嵌入式操作系統(tǒng)等技術的迅速發(fā)展，靈活輕便的智能設備開始融入到人們的生活中，廣泛應用于各種場合，并逐漸改變著人們的生活方式。在過去的幾十年里，人與人、人與物、物與物信息交互的需求從來沒有像現(xiàn)在這樣迫切。隨著信息交互數據量的快速增長，當前移動通信網絡逐漸無法滿足用戶的需求。在潛在市場的巨大需求下，第五代移動通信技術(5G)引起了研究者的廣泛興趣。
　　5G關鍵技術包括網絡關鍵技術和無線關鍵技術。其中，在無線關鍵技術里

2、面，大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)和全雙工(Full-Duplex)技術逐漸成為學者們的研究熱點。大規(guī)模MIMO和全雙工技術都可以提高頻譜效率。通過部署大規(guī)模天線陣列，可以有效提升移動通信網絡的系統(tǒng)容量及抑制干擾和噪聲的能力。從本質上看，這主要是由于大量獨立的天線提供了更多空間自由度或者并行子信道，同時天線陣列形成更窄更強的波束，提高了天線的發(fā)射和接收增益。研究結果表明，大規(guī)模MIMO的頻譜效率隨天線數量的增加而以對數規(guī)律增

3、長。當天線數目比較多時，采用簡單的線性波束賦形方法，比如MRT/MRC和ZFR/ZFT，就可以獲得非常好的效果。由于天線連接獨立的接收和發(fā)射單元，當其中一個或幾個射頻鏈路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)的性能只會略微下降，不會導致業(yè)務的全部中斷。因此，相比單天線SISO及普通MIMO系統(tǒng)，大規(guī)模MIMO可以大幅提升系統(tǒng)可靠性。全雙工技術采用的是同時同頻雙向傳輸模式，實現(xiàn)雙向通信。由于無線收發(fā)機在接收信號的同時會受到自身發(fā)送信號的干擾，在全雙工技術中，如

4、何抑制自干擾，是實現(xiàn)正常通信的關鍵。一般情況下，全雙工無線收發(fā)機的發(fā)射天線和接收天線之間會通過物理隔離方法減輕自干擾的影響。雖然物理隔離可以大幅降低干擾，但相對于來自遠端無線設備的有用信號來說，自干擾仍然過大。不過，由于干擾來自于本身，從本質上講自干擾信號是已知的，采用模擬或數字干擾抵消方法可以進一步抑制自干擾的影響。通過一系列的處理，全雙工系統(tǒng)的頻譜效率會明顯高于傳統(tǒng)的TDD和FDD半雙工系統(tǒng)。
　　本文主要研究了全雙工大規(guī)模M

5、IMO系統(tǒng)。首先討論了共享天線全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜效率，然后研究了通過信道估計獲得不完全信道狀態(tài)信息情況下的系統(tǒng)自干擾的處理方法，并對混合天線全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)做了討論，最后研究了共享天線的全雙工中繼模型，分析了系統(tǒng)中用戶的功率分配問題。論文的主要研究成果有以下幾個方面:
　　1.提出了一種共享天線(Shared-Antenna)全雙工多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時具有大規(guī)模MIMO和全雙工系統(tǒng)的優(yōu)點，即較高

6、的頻譜效率和上下行信道的互易性，同時降低了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的射頻單元硬件成本。在采用MRC/MRT和ZFR/ZRT等線性信號處理方法的基礎上，證明了即使該系統(tǒng)中上下行信道狀態(tài)完全相關，仍然可以通過增加基站天線數量來抑制全雙工系統(tǒng)中的自干擾。不同于分離式(Separate-Antenna)全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，共享式全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的自干擾抑制能力與陣列中天線數的平方根成正比。推導了該系統(tǒng)上下行鏈路可達速率的下界，該下界十分

7、接近蒙特卡洛仿真結果。比較了該系統(tǒng)和TDD半雙工系統(tǒng)的性能，當天線數目足夠大時，共享天線全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于半雙工系統(tǒng)。（上述創(chuàng)新點對應論文的第二章和發(fā)表論文列表中的2）
　　2.研究了共享天線全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行鏈路的頻譜效率。不同于分離式全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，該模型中假設自干擾信道中存在直接鏈路(LOS)。證明了在采用線性信號處理方法抑制自干擾的同時，萊斯自干擾信道會轉變?yōu)槿鹄诺?。提出了一種上行

8、鏈路可達速率的近似分析方法，獲得了上行鏈路的非常簡潔的閉合表達式，并且該方法只依賴于信道狀態(tài)的分布信息(CDI)，而不是瞬時信息。該近似值非常接近于蒙特卡洛仿真結果。（上述創(chuàng)新點對應論文的第三章和發(fā)表論文列表中的5）
　　3.在信道狀態(tài)信息(CSI)估計不完全的情況下，研究了共享天線全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行鏈路的頻譜效率和能量效率。證明了在獲取到不完全CSI的情況下，基站側的自干擾仍然可以采用線性處理方法進行抑制。設計了一種自

9、干擾抵消方法，通過對自干擾等效信道的預先估計，在獲取到干擾信道的狀態(tài)信息后從總干擾中減去該干擾信號，再通過大規(guī)模天線線性方法處理殘余干擾，大幅降低了自干擾的強度?；谠摲椒?，系統(tǒng)可以獲得比LALP方法高36 dB的自干擾抑制能力。在對干擾信道進行估計時，提出了一種自干擾信道預編碼方法，大幅減小信道估計的計算量。推導了不完全CSI情況下的上行鏈路可達速率的下界，該下界非常接近于蒙特卡洛仿真結果。在此基礎上，還分析了基于信道估計時間長度和用

10、戶發(fā)射功率的最優(yōu)頻譜效率和能量效率。（上述創(chuàng)新點對應論文的第四章和發(fā)表論文列表中的3）
　　4.提出了一種共享式和分離式天線混合的全雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，在采用MRC/MRT和ZFR/ZRT等線性信號處理方法的基礎上，分別推導了該系統(tǒng)上下行鏈路可達速率的上界和下界。該模型允許用戶工作在全雙工模式和TDD半雙工模式。由于下行鏈路容易受到用戶自身和用戶之間發(fā)射信號的影響，自干擾會隨著系統(tǒng)負載的變化而發(fā)生改變，在系統(tǒng)負載較輕和過載時，

11、討論了用戶雙工模式的選擇對系統(tǒng)頻譜效率的影響。（上述創(chuàng)新點對應論文的第五章和發(fā)表論文列表中的4）
　　5.提出了一種雙向全雙工大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)模型。不同于已有的分離天線陣列中繼系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一副共享式天線陣列。該模型采用信號放大轉發(fā)(AF)方式和MRC/MRT及ZFR/ZFT線性信號處理方法。證明了該類系統(tǒng)中環(huán)路自干擾(LI)可以看做類似于獨立同分布的加性零均值高斯白噪聲。推導了基站發(fā)射功率和信噪比的漸近表達式。當天線數目