下一代移动通信系统中大规模MIMO技术研究

摘要

随着用户需求的不断提高,高速率、高质量的通信系统是新一代移动通信技术的研究目标。以多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)为代表的多天线技术是目前公认的实现上述目标的最佳途径。然而在实际系统中,由于严重的小区间干扰和更高的数据传输要求,人们的研究焦点开始转向大规模MIMO技术,即在基站端采用大规模天线阵列(天线数超过十根,甚至上百根),且在同一时频资源内服务多个用户的多天线技术。与传统MIMO技术相比,该技术不仅可以显著提高系统频谱效率、改善通信质量,而且可以有效降低干扰消除的复杂度及基站发送功率。
　　本文研究了大规模MIMO技术的频谱效率、能量效率,及其应用于异构网络时的系统性能。首先,运用随机矩阵理论,分别研究了大规模MIMO技术在单小区、多小区下行链路系统中,当天线数趋于无穷大时,最大比传输(MRT)和迫零(ZF)单位预编码的极限性能,以及系统频谱效率的闭合表达式。其次,通过理论推导和MATLAB仿真,分析了两种预编码能量效率与天线数及发送功率的关系。最后,通过对比三种不同双工方式,给出大规模MIMO技术应用于异构网络时的性能分析。
　　研究结果表明:
　　(1)在基站已知完全信道状态信息(CSI)的条件下,当基站发送功率减小到单天线基站的1M时,随着基站天线数M的无限增加,系统频谱效率趋于恒定,并且MRT单位预编码的极限表达式与ZF单位预编码相同。因此基站可以采用简单的MRT预处理来消除用户间、小区间干扰以及快衰落影响。
　　(2)当基站已知有限CSI时,小区间干扰因受CSI估计的影响不能完全消除,但随着发送功率的降低,系统将由干扰受限转变为噪声受限。
　　(3)系统能量效率随天线数的增加逐渐提高,而随发送功率的增加逐渐减小,因此大规模MIMO技术可以通过增加天线数、降低发送功率来提高能量效率。
　　(4)在异构网络中,当宏蜂窝采用传统多天线技术、微蜂窝采用大规模MIMO技术,并且系统采用频段分离的TDD工作方式时,系统不仅可以满足下一代移动通信系统中高速率通信需求,还可以有效避免异构网络中的小区间干扰。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容及创新点

1.4 论文结构安排

第2章 MIMO技术概述

2.1 MIMO信道容量

2.2 多用户预编码技术

2.3 信道状态信息获取

2.4 本章小结

第3章 单小区大规模MIMO技术研究

3.1 随机矢量理论

3.2 系统模型

3.3 单小区大规模MIMO技术性能分析

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

第4章 多小区大规模MIMO技术研究

4.1 系统模型

4.2 多小区大规模MIMO技术性能分析

4.3 仿真分析

4.4 本章小结

第5章 大规模MIMO技术在异构网络中的应用

5.1 系统模型

5.2 干扰分析

5.3 大规模MIMO技术的机遇和挑战

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果