莱斯环境下多用户MIMO中继系统研究

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大规模MIMO(Multiple Input Multiple Output,MIMO)通过在基站配置几十甚至几百根天线,可以在同一信道上服务多个用户,从而将系统容量提升10倍以上且将能源效率提升10-100倍。因此,大规模MIMO被学术界、工业界公认为是5G的关键技术之一。在大规模MIMO系统中,信号传输具有精准的方向,视距信号(Line of Sight,LoS)占据主导地位。莱斯(Ricean)分布能很好地刻画存在LoS信号的信道衰落特性。基于此,考虑Ricean衰落信道,针对多用户MIMO系统,本文展开了一系列研究。首先,针对认知多用户小规模MIMO上行链路(即:N个单天线认知用户在同一信道上和配置M根天线的基站通信),考虑迫零波束成型(zero-forcing transmission,ZF)传输方案,利用非中心Wishart分布等数学知识,本文获得了其在两种功率约束方案下的可达速率的闭合表达式。本文所考虑的两种功率约束条件如下:即(1)单功率约束条件:Ps=Pmax,(2)双功率约束条件:Ps=min(Ia/|gsn,P|2,Pmax),其中Pmax为认知用户n的最大发送功率,Ia为授权用户所能容忍的最大干扰功率,gsn,P为认知用户n到授权用户的信道衰落系数,Ps为认知用户n的发射功率。数值与仿真结果验证了理论分析的正确性。本项研究成果可用于指导MIMO上行链路的设计与优化。接着,针对多用户大规模MIMO双向放大前传中继网络,考虑最大比合并/最大比传输(maximum-ratio combining/maximum-ratio transmission,MRC/MRT),以及 ZF 两种波束成型方案,本文获得了当中继天线数目M →∞时,系统可达速率渐进结果的闭合表达式。特别地,我们考虑了四种典型功率分配方案,即:(1)PU=EU,PR=ER;(2)PU=EU/M,PR=ER;(3)PU=EU,PR=2NER/M;(4)PU = EU/M,PR = 2NER/M。其中PU为用户的传输功率,PR表示中继的总功率,EU,ER是固定值,N表示用户对数。研究表明:在中继天线数目M→∞时,小尺度衰落、共道干扰被消除,可达速率趋向于一个定值。本项研究成果对于大规模MIMO中继网络的设计与性能优化具有重要的指导意义。最后,本文研究了不完备CSI(channel state information,CSI)对多用户大规模MIMO双向放大前传中继网络性能的影响,获得了系统可达速率和能源效率的渐近表达式。研究表明:不完备CSI会降低用户的接收信干燥比,从而降低系统性能;并且,我们发现当中继天线数目M→ ∞时,在已知不完备CSI,并保证一定性能的前提下,用户和中继的发送功率最多都可以降低为原来的1/M。仿真结果与分析结果很好匹配,这部分研究成果为大规模MU-MIMO系统的性能方案的优化与设计提供了很好的理论依据。
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