相关莱斯信道下基于混合精度ADC的可扩展Cell-Free大规模MIMO系统设计与分析

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随着无线通信技术的发展,第五代(5th generation,5G)移动通信系统已实现大规模商用,世界各国科研机构及相关企业也开始了关于第六代(6th generation,6G)移动通信系统的研究。随着通信网络的密集化,小区间的相互干扰问题严重限制了系统性能。因此,可扩展无小区大规模多输入多输出(Cell-Free Massive Multi-input Multi-output,Cell-Free Massive MIMO)被认为是一种有前景的6G候选技术,可扩展Cell-Free大规模MIMO系统的分布式接入点(Access Point,AP)通过相干信号处理的方法同时为用户提供服务从而提供了以用户为中心的均匀覆盖。然而,当前研究通常忽略了天线之间的信道空间相关性与收发端的直射路径,导致分析结果不够贴近实际。此外,尽管可扩展Cell-Free大规模MIMO存在技术优势,但它仍面临两个主要挑战:检测复杂度高和高硬件成本。本文将混合精度模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)用于可扩展Cell-Free大规模MIMO系统,并考虑相关莱斯信道条件。首先,本文研究了相关莱斯信道下采用混合精度ADC的可扩展Cell-Free大规模MIMO系统的性能分析和信号检测问题。结合系统可扩展的特点,设计了分布式联合信号检测方案—局部大尺度衰落解码(Partial Large Scale Fading Decode,P-LSFD),该检测方案将最大比合并(Maximal-Ratio Combining,MRC)与大尺度衰落解码(Large-Scale Fading Decoding,LSFD)思想结合,根据AP选择的结果来设计解码向量从而降低了解码向量的计算复杂度。分别推导了两种AP协作基于不完美信道状态信息(Channel State Information,CSI)条件的系统上行频谱效率闭式表达式。考虑到MRC检测器不能很好地抑制用户间干扰的问题,分别设计了两种AP协作的低复杂度MMSE接收机—本地局部最小均方误差(Local Partial Minimum Mean Square Error,LP-MMSE)接收机与局部MMSE(P-MMSE)接收机。其次,本文在发送端采用有限精度DAC的系统中研究了能量效率,针对混合精度ADC研究了一种实现AP选择、导频分配以及功率控制功能的联合算法。首先在发送端采用有限精度DAC,建立系统功率消耗模型,分析了系统能效与谱效的折衷关系。接着面向混合精度ADC场景,为了解决服务质量(Quality of Service,Qo S)不均衡以及导频污染问题,研究了一种联合算法,该算法可以实现AP选择、导频分配以及用于数据传输的功率控制。本文通过仿真检验了相关分析的准确性,仿真结果表明本文研究的适用于分布式协作的联合信号检测方法不仅实现了可扩展性,同时可以达到与不可扩展检测方法接近的性能。另一方面,与随机导频分配方案相比,所研究的导频分配方案具有更好的性能。此外,与传统的等功率传输方案相比,功率控制方案使各终端的Qo S公平性获得提高。
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