具有硬件损伤的大规模MIMO系统频谱效率及性能研究
发布时间：2021-10-28 17:23
大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术做为未来无线通信的核心技术之一,在传输安全性、通信网络速率以及频谱效率（SE）等方面有很大优势,其中频谱效率是衡量大规模MIMO系统性能的重要指标之一。然而随着系统天线数目的增加,硬件的开销也会逐渐增大,为了降低硬件的成本,通常会采用不完美的硬件,因此如何在硬件损伤的情况下保持系统高频谱效率成为目前的研究重点。本文针对大规模MIMO系统中高频谱效率的选择以及硬件损伤对系统频谱效率的影响,主要进行了以下研究。1.针对多用户最小均方误差（M-MMSE,Multicell Minimum Mean-Squared Error）和几种常见的接收组合/预编码方案,分别在上行链路和下行链路中,对系统的平均和频谱效率及性能进行了分析,比较了这几种接收组合/预编码方案的复杂度,选出了M-MMSE、正则化迫零（RZF,Regularized Zero-Forcing）和最大比（MR,Maximum Ratio）三种在高频谱效率和低复杂度之间折衷的接收组合/预编码方案;2.针对大规模MIMO系统的下行链路,在信道非理想的条件...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
f=1时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图
M-MMSE等方案的频谱效率及性能分析20BS都有不同数目的天线，每个相干块都有fK个导频，其余fKc个样本都用于UL数据传输。图3.3f=1时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图图3.3显示了复用因子f1时BS天线数和平均UL和SE的函数关系图。可以看出，M-MMSE比其他几种方案提供了更高的SE。在天线数保持变化的整个过程中，S-MMSE所提供的SE比M-MMSE一直都低，但是比RZF和ZF要高出5%-10%，且一直保持不变。当M≥20时，RZF和ZF所提供的SE基本相同；当M<20时，ZF方案提供的SE比RZF低大约10%-50%，因为天线数目太少，BS没有足够的自由度来消除干扰。而MR由于不需要求逆矩阵，复杂度最低，因此其可提供的SE只能达到其他方案的一半。图3.4f=2时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图复用因子f等于2和4时的仿真图如图3.4、图3.5所示。由于fKcu，
M-MMSE等方案的频谱效率及性能分析21所以导频复用因子的增加降低了（3-6）中的对数因子，但由于获得了更好的信道估计且导频污染减少了，因此也增加了（3-7）中的瞬时SINR。与图3.3比较，当f>1时，M-MMSE可以提供更高的SE，因为当这些UE使用其他导频时，它可以更好地抑制来自周围小区UE的干扰，因此三张图中M-MMSE在f=4时SE最大。而S-MMSE、RZF和ZF对于所有f都提供了大致相同的SE，且在f=2时达到最大。但是随着f的增加，MR提供的SE反而减小，因为当仅将估计用于相干组合期望信号而不消除干扰时，改善的估计质量就不会超过减少的对数因子。图3.5f=4时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图根据上述仿真结果，本文可以选择三种接收组合方案，分别是M-MMSE、RZF和MR。其中M-MMSE可以提供高SE，但其复杂度也是最高的；MR复杂度最低，其所能提供的SE也是最低的；而RZF在这两者之间取得了很好的平衡，与MR相比，它可以将SE提高一倍，而其计算复杂度也不会比MR高太多。实践中，RZF是比ZF更好的选择，因为其实现了比ZF相同或更好的SE，并且解决了当KM时ZF的鲁棒性较低的问题。然而ZF在当前的文献中是相对比较常见的方案，这是因为它允许在空间不相关的信道下计算封闭SE表达式[40，41，42]，而M-MMSE，S-MMSE和RZF组合方案也可以计算近似的封闭SE表达式[43,44]。3.3下行链路中各预编码方案频谱效率的对比3.3.1结合预编码向量的下行链路频谱效率每个BS在DL中使用2.3.2节中定义的线性预编码将有效载荷数据传输给它的UEs。小区j中的UEk接收随机数据信号jkjk0N~，pC,其中Lj,...,1，
【参考文献】：
期刊论文
[1]大规模MIMO传输技术研究与展望[J]. 卢安安,高西奇. 中国科学基金. 2020(02)
[2]5G Massive MIMO下的3D波束赋形预编码技术研究[J]. 袁苑,丁俊雄,王良. 移动通信. 2019(12)
[3]FD Massive MIMO协作多点传输场景下提升系统频谱效率的算法研究[J]. 任天昊. 软件. 2019(09)
[4]面向5G协作通信系统的资源分配技术综述[J]. 徐勇军,彭瑶,余晓磊,陈前斌. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2019(02)
[5]大规模MIMO中继系统中多用户物理层安全传输方案[J]. 雷维嘉,王娟兵,谢显中. 电子学报. 2018(12)
[6]莱斯信道下具有硬件损伤的多对双向大规模MIMO AF中继系统及性能分析[J]. 孙小丽,马文峰,许魁,徐友云. 信号处理. 2017(11)
[7]3D-MIMO技术应用研究[J]. 黄晓栋,王锐. 电信技术. 2017(08)
[8]第五代移动通信技术[J]. 李蕾. 通讯世界. 2016(10)
[9]考虑硬件损伤和非理想信道的鲁棒多小区多用户协同波束形成技术[J]. 汪汉,何世文,鲁照华,黄永明,杨绿溪. 电子与信息学报. 2014(05)
[10]英国TACS蜂窝移动无线系统技术设计[J]. 龚汉澄. 移动通讯装备. 1987(06)
硕士论文
[1]穿金属超声波通信系统的基础研究[D]. 邢莉颖.南京邮电大学 2018
本文编号：3463085
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
f=1时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图
M-MMSE等方案的频谱效率及性能分析20BS都有不同数目的天线，每个相干块都有fK个导频，其余fKc个样本都用于UL数据传输。图3.3f=1时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图图3.3显示了复用因子f1时BS天线数和平均UL和SE的函数关系图。可以看出，M-MMSE比其他几种方案提供了更高的SE。在天线数保持变化的整个过程中，S-MMSE所提供的SE比M-MMSE一直都低，但是比RZF和ZF要高出5%-10%，且一直保持不变。当M≥20时，RZF和ZF所提供的SE基本相同；当M<20时，ZF方案提供的SE比RZF低大约10%-50%，因为天线数目太少，BS没有足够的自由度来消除干扰。而MR由于不需要求逆矩阵，复杂度最低，因此其可提供的SE只能达到其他方案的一半。图3.4f=2时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图复用因子f等于2和4时的仿真图如图3.4、图3.5所示。由于fKcu，
M-MMSE等方案的频谱效率及性能分析21所以导频复用因子的增加降低了（3-6）中的对数因子，但由于获得了更好的信道估计且导频污染减少了，因此也增加了（3-7）中的瞬时SINR。与图3.3比较，当f>1时，M-MMSE可以提供更高的SE，因为当这些UE使用其他导频时，它可以更好地抑制来自周围小区UE的干扰，因此三张图中M-MMSE在f=4时SE最大。而S-MMSE、RZF和ZF对于所有f都提供了大致相同的SE，且在f=2时达到最大。但是随着f的增加，MR提供的SE反而减小，因为当仅将估计用于相干组合期望信号而不消除干扰时，改善的估计质量就不会超过减少的对数因子。图3.5f=4时，不同接收组合方案下BS天线数和平均UL和SE的函数关系图根据上述仿真结果，本文可以选择三种接收组合方案，分别是M-MMSE、RZF和MR。其中M-MMSE可以提供高SE，但其复杂度也是最高的；MR复杂度最低，其所能提供的SE也是最低的；而RZF在这两者之间取得了很好的平衡，与MR相比，它可以将SE提高一倍，而其计算复杂度也不会比MR高太多。实践中，RZF是比ZF更好的选择，因为其实现了比ZF相同或更好的SE，并且解决了当KM时ZF的鲁棒性较低的问题。然而ZF在当前的文献中是相对比较常见的方案，这是因为它允许在空间不相关的信道下计算封闭SE表达式[40，41，42]，而M-MMSE，S-MMSE和RZF组合方案也可以计算近似的封闭SE表达式[43,44]。3.3下行链路中各预编码方案频谱效率的对比3.3.1结合预编码向量的下行链路频谱效率每个BS在DL中使用2.3.2节中定义的线性预编码将有效载荷数据传输给它的UEs。小区j中的UEk接收随机数据信号jkjk0N~，pC,其中Lj,...,1，
【参考文献】：
期刊论文
[1]大规模MIMO传输技术研究与展望[J]. 卢安安,高西奇. 中国科学基金. 2020(02)
[2]5G Massive MIMO下的3D波束赋形预编码技术研究[J]. 袁苑,丁俊雄,王良. 移动通信. 2019(12)
[3]FD Massive MIMO协作多点传输场景下提升系统频谱效率的算法研究[J]. 任天昊. 软件. 2019(09)
[4]面向5G协作通信系统的资源分配技术综述[J]. 徐勇军,彭瑶,余晓磊,陈前斌. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2019(02)
[5]大规模MIMO中继系统中多用户物理层安全传输方案[J]. 雷维嘉,王娟兵,谢显中. 电子学报. 2018(12)
[6]莱斯信道下具有硬件损伤的多对双向大规模MIMO AF中继系统及性能分析[J]. 孙小丽,马文峰,许魁,徐友云. 信号处理. 2017(11)
[7]3D-MIMO技术应用研究[J]. 黄晓栋,王锐. 电信技术. 2017(08)
[8]第五代移动通信技术[J]. 李蕾. 通讯世界. 2016(10)
[9]考虑硬件损伤和非理想信道的鲁棒多小区多用户协同波束形成技术[J]. 汪汉,何世文,鲁照华,黄永明,杨绿溪. 电子与信息学报. 2014(05)
[10]英国TACS蜂窝移动无线系统技术设计[J]. 龚汉澄. 移动通讯装备. 1987(06)
硕士论文
[1]穿金属超声波通信系统的基础研究[D]. 邢莉颖.南京邮电大学 2018
本文编号：3463085
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