基于信道老化和相位噪声的大规模MIMO系统的频谱与能量效率分析

摘要

无线通信是通信行业发展最快的新兴产业，由此吸引了媒体和公众的关注。无线通信技术改变了我们沟通的方式。计算机、电话和互联网连接必须通过有线连接并且只能在预先固定位置使用的时代已经成为过去。蜂窝广域网（例如，基于GSM，UMTS和LTE标准），局域网（基于不同版本的Wi-Fi标准IEEE802.11）的布置，这些通信服务现在几乎可以在地球上的任何地方实现无线访问。
　　近年来，相关无线设备数量大幅增长。事实上，在大多数发达国家，蜂窝电话已经成为日常生活中的一种正式的商业工具，并且正在迅速取代许多发展中国家过时的有线系统。数万亿的设备通过无线网络连接和管理。同时，每个设备都或多或少需的要高数据流量（包括移动设备和固定设备）来支持语音、3D全息视频、电影和游戏等应用程序，可以这样说，每个用户每个方向都需要约100兆比特每秒。无线吞吐量的需求和无线设备的数量将不断增加。这一领域的有强大生命力主要有两个主要原因:首先，考虑到无线业务的不断增长的需求，有效利用带宽和功率的重要性日益增加。其次，无线信道容量研究中的一些主要问题最近才得到了成功的处理。衰落、宽带、多用户和多天线是现今关注的无线信道的关键特征。此外，人们越来越关注无线通信系统的能耗。因此，未来的无线系统必须满足三个主要需求:具有非常高的数据吞吐量;巨大的用户容量;和较低的时延。为了满足移动和无线数据流量的指数增长，预计第五代(5G)无线系统将提供一千倍甚至更高的容量。
　　与4G相比，5G网速能达到每秒20Gb。这意味着，可以秒下高清电影，在线游戏、实时高清视频和远程交互等多媒体应用。同时，5G网络具有速率极高(eMBB)、容量极大(mMTC)和时延极低(URLLC)三个特征。比如20Gbps的峰值数据速率、1ms空口传输时延、比4G提高3-5倍的频谱效率和每平方公里百万的连接密度以及100倍的功效提升等。
　　大规模多输入多输出(MIMO)技术中配备大量天线的基站(BS)可以为同一时间-频率资源中的许多活跃用户提供服务，能够满足上述容量要求，因此，它成为下一代有线网的一项具有前景的技术。它已成为无线通信发展的最有前途的技术之一，通过简化多用户处理，降低发射功率以及消除热噪声和快衰落的影响，可以实现更多的自由度和更高的功率效率。在基站的大规模天线阵列使得对于大多数传播环境信道变得有利，即，用户和BS之间的信道矢量几乎（成对）正交，因此，线性处理近似是最优的。由于复用增益和阵列增益，可以实现巨大的吞吐量和更高的能量效率。特别的，通过一个简单的功率控制方案，大规模MIMO可以为所有用户提供良好的服务。这些显著的特征可以通过假设一个理想的传播信道环境获得。大规模MIMO系统的信号处理方法不需要再采用复杂的非线性设计来避免上述提到的干扰，而只需要简单的线性设计即可实现较好的系统性能。比如在预编码方法研究方面:传统的MIMO系统中一般研究非线性预编码方案，比如DPC(dirty-paper coding，脏纸)，而大规模MIMO中一般采用线性预编码，比如MRT（最大比发送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方误差）。DPC这类算法的复杂度较高，随着基站天线数量的增加，若采用非线性预编码会导致基站的计算复杂度激增，显然DPC这类方法不再适用于大规模MIMO。此外，Lund University做了一些实际的测量，实验结果表明，在大规模MIMO系统中，采用低复杂度的线性预编码即可实现DPC预编码的98％的性能。
　　因此，在实际的传播环境下得到大规模MIMO系统的性能极限成为一个重要的研究领域。然而，实际情况下的大规模MIMO系统仍然存在许多挑战。到目前为止，实际信道多方面缺陷对大规模MIMO系统（包括导频污染、空间相关性、视线效应、信道估计误差和收发器硬件损伤）的性能的影响是相当大的。实际上，如果硬件成本和功耗较低，大规模MIMO的应用是有意义的。在这种情况下，硬件损伤是一个重要的破坏因素，会导致不完美的CSI。在硬件损伤中，相位噪声随机移相本地振荡器(LO)的输出，随时间聚集。然而，现有文献中对大规模MIMO系统的信道老化和相位噪声干扰情况考虑较少。本文主要研究了信道老化和相位噪声对大规模MIMO的影响。
　　在第一部分中，利用发射导频信号获得每个用户的老化信道估计信息。用户发射功率与基站天线数成反比，并不降低系统性能。与完全信道估计不同，发射功率与天线数可以成反比。考虑信道老化影响，我们对大规模MIMO系统上行链路频谱效率进行研究。首先，在基站分别配置最大比合并(MRC)和迫零(ZF)接收机，并推导在两种接收机方式下的系统频谱效率，提供了系统总速率的有效评估方式，并得到了功率缩放定律。然后，我们对信道老化对功率缩放定律的影响进行研究，对频谱效率和能量效率的综合指标进行检测。一旦服务天线数确定，我们可以通过确定其他参数（如用户数、发射功率、导频间隔等），以获得增强的频谱效率。研究表明，当基站天线数趋于无穷时，保证系统性能不变，每个用户的传输功率可以被缩小为原功率的1/M。为此，我们可以得出，信道老化并没有影响到功率缩放定律。最后，我们发现，老化的信道信息通过减少信噪比(SINR)来减小和速率;并且多普勒频移越大，频谱效率降低越显著。相较于完美的信道状态信息，多普勒频移系数取值α=0.5时，频谱效率降低了25％。通过研究表明，归一化多普勒频移的值越小，频谱效率降低越显著。
　　第二部分中，我们重点研究了相位噪声干扰下的大规模MIMO性能。首先，我们提出了一个独特的联合信道相位模型，并利用最大比率传输预编码器得到实际大规模MIMO系统的总速率。结果显示，用户移动性造成的衰减超过了相位噪声带来的影响，时间依赖的相位噪声造成了信道老化，然而，用户移动性和相位噪声带来的影响并没有影响到功率缩放定律。最后，利用仿真对这两种效应对大规模MIMO系统中不同类型的本地振荡器(LOs)的影响进行验证，结果发现，用户移动性比相位噪声对系统性能的影响更为严重，即，在时变环境下，大规模MIMO技术仍然能够提供良好的系统性能。另外，相位噪声也会影响信道老化。当信道估计误差存在时，考虑用户移动性和相位噪声下的功率缩放定律不满足1/√M。我们通过数值仿真结果分析了信道老化和相位噪声对大规模MIMO系统的影响。例如，当基站天线数增加为原来的两倍时，发射功率要降低1.4Db，已达到相同的速率。
　　目前的研究中，我们均假设用户只有一根天线。当用户采用多天线时，将进一步提高系统的频谱效率和能量效率。在目前的无线通信系统中（如LTE系统），每个用户拥有两根以上天线。大规模MIMO系统收发信机的设计包括基站发射机制和用户检测机制等均需要重新考虑和分析。
　　大规模MIMO系统中还存在严重的导频污染问题，导频污染的存在会使基站无法通过接收到的导频估计得到准确的信道状态信息，从而影响信道的预编码矩阵，对下行链路的通信产生严重的干扰。这种干扰会引起饱和响应，从而使系统的信道容量无法随着基站天线数目的增加而大幅度提升，而是在某一水平停滞不前。有研究表明，增加基站天线数目并不能降低或消除导频污染对系统性能的影响，导频污染问题已成为限制系统性能的最大瓶颈，导致其性能无法随基站天线数目的增加而大幅度提升，天线数目增加后，噪声、小区内干扰等非相关因素都会随之消失，而导频污染会成为限制大规模MIMO性能的唯一因素。如何分配导频、如何分配导频功率来降低导频污染等问题变得更为重要。如何降低系统中的导频污染已成为一个迫切需要解决的问题。另外，天线数增加后信道特性会如何变化，相关性、信道衰落特性等都需要测量和研究，而信道建模是理论研究的基础，如果信道模型是错的话，很多研究将失去意义。传统的信号处理方法需要每根天线对应一个射频链路，然而射频链路非常昂贵，随着天线数增加，硬件和能量开销都会随之增大，所以如果设计和研究降低射频链路的预编码方案非常重要。