大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的性能分析與傳輸設(shè)計(jì)

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的性能分析與傳輸設(shè)計(jì)當(dāng)前移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量飛速增長(zhǎng)并且接入終端的種類和數(shù)量也達(dá)到了前所未有的規(guī)模。為應(yīng)對(duì)這樣的局面,學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始謀劃面向未來(lái)的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng),即第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)。在5G移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)制定中,對(duì)傳輸速率、移動(dòng)性、傳輸時(shí)延、連接數(shù)密度、頻譜效率和能量效率等性能指標(biāo)都做了較高的要求。在當(dāng)前的無(wú)線資源下,為了實(shí)現(xiàn)5G標(biāo)準(zhǔn)中的傳輸要求,一批能夠進(jìn)一步挖掘時(shí)頻資源潛力的高效無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在這些技術(shù)中,大規(guī)模多輸入多輸出(MassiveMIMO,或稱為L(zhǎng)arge-scaleMIMO)技術(shù)被寄予厚望。大規(guī)模MIMO技術(shù)通過(guò)在基站配置大量天線,能夠在不增加額外時(shí)頻資源的情況下使無(wú)線通信系統(tǒng)的能量效率、頻譜效率和傳輸速率性能得到大幅度提升。然而,大規(guī)模MIMO技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中仍存在許多有待解決的問(wèn)題,因此本論文開(kāi)展了“大規(guī)模天線系統(tǒng)中的性能分析與傳輸設(shè)計(jì)”這一課題,具體研究?jī)?nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下:首先,研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的信道容量的非漸進(jìn)性能?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的容量分析是假設(shè)天線數(shù)目趨于無(wú)窮,并采用漸進(jìn)的分析方法來(lái)處理系統(tǒng)容量。然而這樣的假設(shè)在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中并不能實(shí)現(xiàn)。因此,在本章我們采用非漸進(jìn)的分析方法,即假設(shè)天線數(shù)目較大但有限。為此,我們利用非漸進(jìn)分析中的集中不等式對(duì)大規(guī)模天線系統(tǒng)的容量進(jìn)行分析。我們首先得到大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的遍歷容量的確定界。根據(jù)此確定界,我們進(jìn)一步得到瞬時(shí)容量的統(tǒng)計(jì)界。該統(tǒng)計(jì)界能準(zhǔn)確描述瞬時(shí)容量落入某一具體容量區(qū)間的最小概率。仿真結(jié)果表明,相比現(xiàn)有的漸進(jìn)結(jié)果,遍歷容量的確定界能夠更為準(zhǔn)確地衡量遍歷容量。另一方面,仿真結(jié)果還驗(yàn)證了,統(tǒng)計(jì)界描述瞬時(shí)容量非漸進(jìn)性能的準(zhǔn)確性。然后,研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中滿足一定中斷概率需求的最小天線數(shù)目。我們利用漸進(jìn)分析的工具得到了瞬時(shí)容量的漸進(jìn)的概率分布。再根據(jù)該漸進(jìn)的概率分布得到了滿足一定中斷概率需求的最小天線數(shù)目的閉合表達(dá)式。但由于其結(jié)果是基于漸進(jìn)分析的結(jié)論,在天線數(shù)目有限的實(shí)際系統(tǒng)中,其準(zhǔn)確性難以達(dá)到最優(yōu)。為此,我們對(duì)中斷概率模型進(jìn)行變換后,利用第二章中的瞬時(shí)容量的統(tǒng)計(jì)界,找到了滿足一定中斷概率需求的最小天線數(shù)目問(wèn)題的等價(jià)形式。通過(guò)對(duì)該問(wèn)題的等價(jià)形式的數(shù)值求解,我們得到了滿足一定中斷概率需求的最小天線數(shù)目。最后,我們通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了非漸進(jìn)方法得到的結(jié)果會(huì)比漸進(jìn)方法得到的結(jié)果更準(zhǔn)確。接著,研究了分離式天線的全雙工大規(guī)模天線系統(tǒng)中的基站最優(yōu)天線比例。在當(dāng)前的全雙工大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的最優(yōu)比例研究中都只是考慮在基站知道完美的信道狀態(tài)下的情況,且沒(méi)有考慮大尺度衰落。在本文中,我們將考慮在迫零預(yù)編碼下在存在信道估計(jì)誤差的情況下的最優(yōu)的天線比例。并且我們利用隨機(jī)矩陣?yán)碚摰玫搅司o致的和速率下界,我們從理論上證明了該下界比傳統(tǒng)界更緊致。利用得到的和速率下界,我們得到了天線收發(fā)比例的優(yōu)化模型。由于其優(yōu)化模型是一個(gè)凹(concave)函數(shù),則最優(yōu)的天線比例可以直接得到。然后,研究了動(dòng)態(tài)TDD環(huán)境下的大規(guī)模天線系統(tǒng)的和速率性能。動(dòng)態(tài)TDD傳輸中的最大挑戰(zhàn)即為上述的跨鏈路干擾。又因?yàn)榛拘盘?hào)功率大和視距傳輸?shù)脑?下行基站對(duì)上行基站的干擾尤為嚴(yán)重。然而為了抑制和消除跨鏈路干擾,我們?cè)趧?dòng)態(tài)TDD系統(tǒng)中引入大規(guī)模天線系統(tǒng)。針對(duì)動(dòng)態(tài)TDD模式下的大規(guī)模天線系統(tǒng),我們將給出了基于隨機(jī)矩陣的上下行信干噪比的等價(jià)近似。通過(guò)漸進(jìn)分析,我們得到了跨鏈路干擾的漸進(jìn)特性,并揭示了跨鏈路干擾會(huì)以O(shè)(1/M)的速度隨著天線數(shù)目的增加而消失,從而達(dá)到上下行鏈路解耦的目的。最后根據(jù)分析結(jié)果,并利用幾何規(guī)劃的結(jié)論,我們給出了一種接近最優(yōu)的高效功率分配方案。最后,研究了混合大規(guī)模天線系統(tǒng)中的低復(fù)雜度的模擬波束選擇方法。我們根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想的模擬波束選擇的方法。具體地,我們把模擬波束選擇問(wèn)題當(dāng)作是一個(gè)多分類問(wèn)題,其中大量的毫米波信道樣本被當(dāng)作訓(xùn)練數(shù)據(jù)。然后,根據(jù)根據(jù)這些訓(xùn)練數(shù)據(jù),我們通過(guò)支持向量機(jī)來(lái)得到一個(gè)以和速率最大化為目標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分類模型。在實(shí)時(shí)傳輸過(guò)程中,通過(guò)訓(xùn)練得到的統(tǒng)計(jì)分類模