大规模MIMO多对放大转发双向中继系统的性能分析

摘要

近年来由于无线通信技术的快速发展，人们对高速的数据业务以及无处不在的接入状态提出了一种爆炸式的增长需求。近阶段的研究文献验证了在基站安放数百根天线或更多的超大规模天线阵列将提升系统性能。大规模多输入多输出(MIMO)技术因其大幅度提升数据速率、更好地降低波束之间干扰等性能优势成为5G无线移动通信的核心技术之一。
　　在无线通信中，中继技术因其大幅度提高系统吞吐量、减小功率消耗以及改善小区边缘信号覆盖等优点被认为是下一代移动通信的关键技术之一。传统单向中继的传输模式仅仅实现了在两个时隙里传输一个数据流，而双向中继的传输模式可以实现在两个时隙里传输两个数据流。因此，双向的中继传输模式较传统单向中继的频谱效率更高。因大规模MIMO的优势，在双向中继中考虑大规模MIMO自然会显著提高系统性能，例如:频谱效率与能量效率。
　　首先，本文提出了一种多对大规模MIMO的放大转发双向中继系统模型，即在配备了N根天线的中继与2K个单天线用户(N》2K)组成的双向中继系统中，2K个用户两两组成K对通信对并且通信对间的用户互相交换信息。由于中继站不能获得精确的信道状态信息(CSI)，本文针对系统模型的研究分析均是建立在不完备CSI的情况下的。此外，本文的中继站采用了放大转发协议，并分别采用最大比率合并/最大比率传输(MRC/MRT)与迫零接收/迫零传输(ZFR/ZFT)两种波束成形预编码方法，并在这两种预编码方法下得到了某个通信对内的某个用户的信干噪比率(SINR)，从而进一步研究系统的性能。同时，本文研究并分析了当中继站天线N趋于无穷时系统的性能指标，如频谱效率、能量效率与系统遍历可达和速率。
　　其次，针对如何节省双向中继系统的能量，本文提出了不同的功率尺度方案，即在保证系统性能的情况下，尽可能降低用户与中继站的传输功率。同时，在采用MRC/MRT与ZFR/ZFT两种预编码情况下，系统采用了最小均方误差估计的信道估计方法，考虑两种导频信号的传输功率Pp的情况，即固定Pp与变化Pp。当Pp为可变的情形时，导频信号的传输功率可执行不同的功率尺度方案。研究分析结果显示:当天线数目趋向于无穷时，对于非降低的SINR，每个用户与中继站的传输功率在Pp固定时最多可降低1/N，当PP变化时最多可降低1/√N。这揭示了在不损耗系统性能的前提下，用户的传输功率与中继站传输功率均可以大幅度降低。
　　最后，本文采用蒙特卡罗仿真方法来验证理论分析结果，并验证了不完备CSI情形下考虑固定与变化Pp两种情况时系统性能的分析结果与渐进结果的紧致性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 研究内容

1．4 本文结构

第二章 基础知识

2．1 传统点对点MIMO系统

2．1．1 MIMO系统模型

2．1．2 MIMO信道模型

2．1．3 MIMO系统容量

2．1．4 MIMO系统的信道估计

2．2 大规模MIMO系统

2．3 中继系统

2．4 本章小结

第三章 基于MRC／MRT的大规模MIMO多对AF双向中继性能分析

3．1 系统模型介绍

3．1．1 信道估计

3．1．2 数据传输

3．2 不同功率尺度分配情形下的渐进SINR

3．2．1 固定Pp情形下的用户k’端的渐进SINR

3．2．2 Pp=ΤEU／Na，a≥0情况下的用户k’端的渐进SINR

3．3 渐进遍历可达速率

3．4 数值与仿真结果

3．5 本章小结

第四章 基于ZFR／ZFT的大规模MIMO多对AF双向中继性能分析

4．1 ZFR／ZFT预编码

4．2 不同功率尺度分配方案下的渐进SINR

4．2．1 Pp=ΤEu／Na，a≥0时用户k’端的渐进SINR

4．2．2 固定Pp情形下的用户k’端的渐进SINR

4．3 近似遍历可达速率分析

4．4 仿真

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 内容总结

5．2 进一步工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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