大规模MIMO无线通信系统多用户传输方案设计

摘要

大规模多输入多输出(MIMO)技术是当前最前沿的无线移动通信技术之一。该技术通过在基站端配备数以百计的天线并同时为更多的用户提供服务，从而使无线移动通信系统达到极大的系统容量及高效的频谱利用率。然而，在带来以上系统性能提升的同时，大规模MIMO技术的实现也面临着诸多挑战，因为大量用户的数据流传输发生在相同的时间和频谱资源块内，所以采用该技术的大规模MIMO无线通信系统（下面简称大规模MIMO系统）是一个存在严重干扰的系统，必须结合有效的干扰抑制或消除技术才能发挥其优势。因为大规模MIMO系统中用户终端数量较多且是分散分布的，所以想要让用户间互相获取信道信息并在用户终端协作消除干扰是很难实现的。另外，相比基站，用户终端的信号处理能力是有限的，所以传统的用户端接收检测技术消除干扰对于大规模MIMO系统而言是不够的。因此大规模MIMO系统一般通过在基站端对发送数据进行处理进而消除干扰或者联合基站端和用户终端进行干扰消除。以此为背景，本文主要研究了多用户大规模MIMO系统的两种干扰消除技术，即预编码技术和干扰对齐技术，并根据这两种技术分别设计了针对FDD模式多用户大规模MIMO系统和TDD模式多用户大规模MIMO系统的两种传输方案。
　　本文首先介绍了大规模MIMO系统的一些基本内容，包括:大规模MIMO技术的研究现状、大规模MIMO系统与传统MIMO系统的区别及大规模MIMO系统的下行传输模型。接着，本文研究了基站已知信道信息时的多用户大规模MIMO系统的预编码技术，对基于迫零(Zero Forcing，ZF)、块对角化（Block Diagonalization，BD）、最小均方误差（Minimum Mean Square Error，MMSE）以及信号泄露噪声比(Signal to Leakage-Noise Ratio，SLNR)这四种线性预编码进行了详细的原理推导，并利用MATLAB对采用这四种技术的大规模MIMO系统和速率性能及误码率性能进行了性能对比和分析。除此之外，本文也对脏纸编码（Dirty Paper Coding，DPC）、模代数预编码（Tomlinson-Harashima Precoding，THP）和向量扰动预编码（Vector Perturbation，VP）这三种典型的非线性预编码技术作了介绍。上述基站已知信道信息的预编码技术主要适用于TDD(Time DivisionDuplexing)模式，因为在TDD模式下，利用上下行信道的互易性，基站可以方便地获得下行信道信息。而在FDD(Frequency Division Duplexing)模式下，上下行信道互易性不成立，基站需要通过专门的反馈链路获取信道信息。为了减小反馈量并且实现可靠传输，本文结合联合空分复用(JSDM)传输方案和一种固定复杂度的QRDM-VP预编码算法，提出了一种针对FDD模式下大规模MIMO系统的传输方案。最后，利用干扰对齐（IA）技术，本文提出了一种针对TDD模式下大规模MIMO系统的收发端联合传输方案。通过MATLAB仿真结果可以看出，该传输方案能够消除TDD模式下大规模MIMO系统干扰，使系统的频谱效率和能量效率性能得到提升。
　　本文提出的两种分别针FDD模式和TDD模式下大规模MIMO系统的多用户传输方案，相比传统的大规模MIMO传输方案，能够有效地提高大规模MIMO系统频谱效率或能量效率。鉴于下一代蜂窝移动通信技术高数据传输率、低能量消耗的发展要求，本文的研究成果具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 MIMO通信技术的发展过程

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 本文的工作及章节安排

第二章 大规模MIMO系统

2．1 单用户MIMO系统

2．2 多用户lVIIMO系统

2．3 大规模MIMO系统

2．3．1 大规模MIMO系统研究现状

2．3．2 大规模MIMO系统的重要特征

2．3．3 大规模MIMO下行传输模型

2．4 本章小结

第三章 大规模MIMO系统预编码

3．1 大规模MIMO系统线性预编码

3．1．1 迫零(ZF)预编码

3．1．2 块对角化(BD)预编码

3．1．3 最小均方误差(MMSE)预编码

3．1．4 信号泄露噪声比(SLNR)预编码

3．1．5 其他类型的线性预编码

3．2 大规模MIMO系统线性预编码性能总结

3．3 大规模MIMO系统非线性预编码

3．3．1 脏纸编码(DPC)预编码

3．3．2 模代数(THP)预编码

3．3．3 向量扰动(VP)预编码

3．4 本章小结

第四章 FDD模式下多用户大规模MIMO系统传输方案

4．1 引言

4．2 联合空分复用(JSDM)传输方案

4．3 QRDM-VP预编码方案

4．4 FDD模式下多用户大规模MIMO系统性能分析

4．4．1 单环模型

4．4．2 仿真参数

4．4．3 仿真结果及分析

4．5 本章小结

第五章 TDD模式下多用户大规模MIMO系统传输方案

5．1 干扰对齐技术(IA)综述

5．2 多小区多用户MIMO系统模型

5．3 基于干扰对齐的多小区多用户MIMO系统分层传输方案

5．3．1 传输方案概述

5．3．2 传输方案具体流程

5．3．3 传输方案总结及性能分析

5．4 基于用户分组干扰对齐的大规模MIMO系统传输方案

5．4．1 大规模MIMO系统支持的用户数目

5．4．2 多小区多用户MIMO系统的分组干扰对齐传输方案

5．4．3 大规模MIMO系统的能效优化问题

5．4．4 仿真结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目