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(shù)的迅速發(fā)展，靈活輕便的智能設(shè)備開(kāi)始融入到人們的生活中，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，并逐漸改變著人們的生活方式。在過(guò)去的幾十年里，人與人、人與物、物與物信息交互的需求從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這樣迫切。隨著信息交互數(shù)據(jù)量的快速增長(zhǎng)，當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)逐漸無(wú)法滿足用戶的需求。在潛在市場(chǎng)的巨大需求下，第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)引起了研究者的廣泛興趣。
　　5G關(guān)鍵技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)。其中，在無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)里

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

3、長(zhǎng)。當(dāng)天線數(shù)目比較多時(shí)，采用簡(jiǎn)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(dú)立的接收和發(fā)射單元，當(dāng)其中一個(gè)或幾個(gè)射頻鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)的性能只會(huì)略微下降，不會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)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(shù)采用的是同時(shí)同頻雙向傳輸模式，實(shí)現(xiàn)雙向通信。由于無(wú)線收發(fā)機(jī)在接收信號(hào)的同時(shí)會(huì)受到自身發(fā)送信號(hào)的干擾，在全雙工技術(shù)中，如

4、何抑制自干擾，是實(shí)現(xiàn)正常通信的關(guān)鍵。一般情況下，全雙工無(wú)線收發(fā)機(jī)的發(fā)射天線和接收天線之間會(huì)通過(guò)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(duì)于來(lái)自遠(yuǎn)端無(wú)線設(shè)備的有用信號(hào)來(lái)說(shuō)，自干擾仍然過(guò)大。不過(guò)，由于干擾來(lái)自于本身，從本質(zhì)上講自干擾信號(hào)是已知的，采用模擬或數(shù)字干擾抵消方法可以進(jìn)一步抑制自干擾的影響。通過(guò)一系列的處理，全雙工系統(tǒng)的頻譜效率會(huì)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(guò)信道估計(jì)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(duì)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(wèn)題。論文的主要研究成果有以下幾個(gè)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(shí)具有大規(guī)模MIMO和全雙工系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即較高

6、的頻譜效率和上下行信道的互易性，同時(shí)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(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，證明了即使該系統(tǒng)中上下行信道狀態(tài)完全相關(guān)，仍然可以通過(guò)增加基站天線數(shù)量來(lái)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(shù)的平方根成正比。推導(dǎo)了該系統(tǒng)上下行鏈路可達(dá)速率的下界，該下界十分

7、接近蒙特卡洛仿真結(jié)果。比較了該系統(tǒng)和TDD半雙工系統(tǒng)的性能，當(dāng)天線數(shù)目足夠大時(shí)，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(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shè)自干擾信道中存在直接鏈路(LOS)。證明了在采用線性信號(hào)處理方法抑制自干擾的同時(shí)，萊斯自干擾信道會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿鹄诺?。提出了一種上行

8、鏈路可達(dá)速率的近似分析方法，獲得了上行鏈路的非常簡(jiǎn)潔的閉合表達(dá)式，并且該方法只依賴(lài)于信道狀態(tài)的分布信息(CDI)，而不是瞬時(shí)信息。該近似值非常接近于蒙特卡洛仿真結(jié)果。（上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(jì)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(cè)的自干擾仍然可以采用線性處理方法進(jìn)行抑制。設(shè)計(jì)了一種自

9、干擾抵消方法，通過(guò)對(duì)自干擾等效信道的預(yù)先估計(jì)，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(hào)，再通過(guò)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(qiáng)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(duì)干擾信道進(jìn)行估計(jì)時(shí)，提出了一種自干擾信道預(yù)編碼方法，大幅減小信道估計(jì)的計(jì)算量。推導(dǎo)了不完全CSI情況下的上行鏈路可達(dá)速率的下界，該下界非常接近于蒙特卡洛仿真結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，還分析了基于信道估計(jì)時(shí)間長(zhǎng)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(diǎn)對(duì)應(yīng)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(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，分別推導(dǎo)了該系統(tǒng)上下行鏈路可達(dá)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(hào)的影響，自干擾會(huì)隨著系統(tǒng)負(fù)載的變化而發(fā)生改變，在系統(tǒng)負(fù)載較輕和過(guò)載時(shí)，

11、討論了用戶雙工模式的選擇對(duì)系統(tǒng)頻譜效率的影響。（上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(hào)放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)方式和MRC/MRT及ZFR/ZFT線性信號(hào)處理方法。證明了該類(lèi)系統(tǒng)中環(huán)路自干擾(LI)可以看做類(lèi)似于獨(dú)立同分布的加性零均值高斯白噪聲。推導(dǎo)了基站發(fā)射功率和信噪比的漸近表達(dá)式。當(dāng)天線數(shù)目