Massive MIMO系統(tǒng)下行預(yù)編碼性能及方案研究.pdf

1、理論研究表明，在基站側(cè)使用大量天線(xiàn)的Massive MIMO系統(tǒng)可以極大提高系統(tǒng)的容量或降低功耗。然而，Massive MIMO系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)不可避免地遇到以下兩個(gè)硬件導(dǎo)致的問(wèn)題:一、上下行鏈路使用不同器件會(huì)導(dǎo)致硬件失配，改變信道特性，從而影響系統(tǒng)性能;二、發(fā)射機(jī)的IQ支路失衡，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)的變形，從而降低傳統(tǒng)線(xiàn)性預(yù)編碼器的性能。本文針對(duì)存在以上兩個(gè)硬件問(wèn)題的Massive MIMO系統(tǒng)，對(duì)下行鏈路的預(yù)編碼方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和性能分析

2、。全文主要工作如下:
　　一、分析了Massive MIMO系統(tǒng)下行鏈路采用MF和RZF預(yù)編碼時(shí)的接收端SINR性能:1）利用隨機(jī)數(shù)學(xué)工具，推導(dǎo)了發(fā)送端采用MF預(yù)編碼時(shí)接收端的SINR概率分布;2）在天線(xiàn)數(shù)目趨于無(wú)窮大的條件下，對(duì)發(fā)送端采用MF和RZF預(yù)編碼時(shí)接收端的SINR進(jìn)行了漸進(jìn)分析，得到如下結(jié)論:對(duì)于MF預(yù)編碼，當(dāng)天線(xiàn)數(shù)目N與用戶(hù)數(shù)目U成比例趨于無(wú)窮時(shí)，也即U=βN，那么每個(gè)用戶(hù)的漸進(jìn)SINR為比例系數(shù)的倒數(shù)1/β，此時(shí)增

3、加平均發(fā)送功率P0并不能提升系統(tǒng)性能;當(dāng)用戶(hù)數(shù)足夠大時(shí)，每個(gè)用戶(hù)的漸進(jìn)SINR為NP0/[P0(U-1）+ln(NU)];當(dāng)N趨于無(wú)窮大時(shí)，SINR決定于平均發(fā)送功率P0與ln N/N的比例;3）推導(dǎo)了RZF預(yù)編碼下接收端SINR的閉合表達(dá)式。
　　二、分析了Massive MIMO系統(tǒng)在上下行鏈路存在硬件失配時(shí)線(xiàn)性預(yù)編碼方案的性能:1）針對(duì)存在路徑損耗的瑞利衰落信道，推導(dǎo)了任意功率分配的條件下MF、RZF預(yù)編碼在硬件失配時(shí)的可達(dá)

4、速率;2）推導(dǎo)了MF、RZF預(yù)編碼方案可達(dá)速率的上界，該上界僅與用戶(hù)數(shù)和基站天線(xiàn)數(shù)的比值及硬件失配參數(shù)的數(shù)字特征有關(guān);3）比較了不同硬件失配校準(zhǔn)算法的等效功率增益，證明了Pre-Cal校準(zhǔn)算法的等效功率增益優(yōu)于Post-Cal校準(zhǔn)算法。
　　三、在每個(gè)用戶(hù)配備單天線(xiàn)的下行Massive MIMO系統(tǒng)場(chǎng)景下，針對(duì)存在IQ失衡的發(fā)射機(jī)，設(shè)計(jì)了廣義線(xiàn)性預(yù)編碼方案并分析了其性能:1）推導(dǎo)了IQ失衡條件下的實(shí)數(shù)接收信號(hào)模型，在此模型下對(duì)不需

5、要IQ失衡參數(shù)估計(jì)的WL-ZF-R預(yù)編碼進(jìn)行了性能分析，證明了WL-ZF-R預(yù)編碼在有IQ失衡時(shí)的復(fù)用增益，與ZF預(yù)編碼在沒(méi)有IQ失衡時(shí)的復(fù)用增益相同;2）在復(fù)數(shù)接收信號(hào)模型下，推導(dǎo)了需要IQ失衡參數(shù)估計(jì)的WL-MMSE-C預(yù)編碼方案，在不考慮IQ失衡參數(shù)的估計(jì)誤差時(shí)，該方案性能與無(wú)IQ失衡情形下的MMSE預(yù)編碼一致;3）提出了降低待估參數(shù)的數(shù)目的方法，在此基礎(chǔ)上提出了DLS-RNP和ALS-RNP這兩種低復(fù)雜度的IQ失衡參數(shù)估計(jì)方案;

6、4）利用Krylov子空間方法，提出了簡(jiǎn)化ZF和MMSE預(yù)編碼算法中矩陣求逆運(yùn)算的共軛梯度迭代算法。
　　四、在每個(gè)用戶(hù)配備多根天線(xiàn)的下行Massive MIMO系統(tǒng)場(chǎng)景下，針對(duì)存在IQ失衡的發(fā)射機(jī)，設(shè)計(jì)了低復(fù)雜度的廣義線(xiàn)性預(yù)編碼方案并分析了性能:1）推導(dǎo)了BD類(lèi)預(yù)編碼方案在實(shí)數(shù)信號(hào)模型下的表達(dá)形式，利用矩陣求逆的Taylor展開(kāi)，提出了降低WL-BD預(yù)編碼方案計(jì)算復(fù)雜度的方法;2)推導(dǎo)了WL-BD預(yù)編碼和速率以及復(fù)用增益的表達(dá)式