低位宽量化下大规模天线系统接收机设计的若干问题研究

发布时间：2017-12-08 14:11

  本文关键词：低位宽量化下大规模天线系统接收机设计的若干问题研究

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【摘要】：通过在基站部署数百根天线,并在相同的时频资源块上同时服务数十个用户,Massive MIMO能够极大地提升系统的频谱效率和辐射能量效率,因而被公认为满足下一代蜂窝网络性能需求的关键技术,近年来受到了学术界与工业界的广泛关注与研究。然而,基站所部署的大规模天线阵列使得系统的硬件成本和电路功耗急剧提升,对系统设计提出了巨大挑战,并有可能成为阻碍Massive MIMO大规模商用的潜在瓶颈。因此,有必要深入探究低硬件成本、高能量效率的Massive MIMO接收机设计方案,以期实现系统性能与硬件成本以及电路功耗的合理折中。由于ADC的功耗通常占电路功耗的主要部分,且ADC的功耗随比特位宽近似指数增长,因此低位宽量化被视为实现能效Massive MIMO接收机设计的重要途径。对于低位宽量化下的多天线系统,信道容量无闭合结果,因此本文我们另辟蹊径,借助信息论工具广义互信息来推导和优化低位宽量化下Massive MIMO系统的可达数据速率。我们不仅考察频率平坦衰落信道,而且考察频率选择性衰落信道;除了分析线性接收机的频谱效率之外,我们还检验了非线性接收机的频谱效率增益。本文的主要贡献概括如下:1)对于上行窄带Massive MIMO系统,我们提出一种基于Mixed-ADC架构的能效接收机设计方法,来实现系统频谱效率与能量效率的合理折中。我们首先考察确定性SIMO信道,给定线性接收机和ADC切换矢量,我们推导出系统广义互信息的闭合表达式,并在此基础上优化线性接收机和ADC切换策略,以最大化系统频谱效率。接着我们将理论分析结果推广至遍历时变衰落信道场景,并探究信道训练和信道估计误差对系统频谱效率的影响。我们进一步将理论分析结果拓展至多用户场景,并探究频谱效率与能量消耗的折中关系。最后通过数值仿真验证理论分析结果。2)我们将Mixed-ADC架构推广至上行宽带Massive MIMO系统,借助OFDM来消除符号间干扰,采用线性频率域均衡来抑制载波间干扰。同样我们首先考察确定性SIMO信道,给定线性频率域均衡器和ADC切换矢量,我们推导出系统广义互信息的闭合表达式,并反过来优化线性频率域均衡器和ADC切换策略,以最大化系统频谱效率。接着我们将理论分析结果拓展至遍历时变衰落信道场景,并探究信道训练和信道估计误差对系统频谱效率的影响。我们进一步将理论分析结果推广至多用户场景,并提出一种低复杂度的线性频率域均衡器计算方法。3)我们探究MMSE估计器相比于LMMSE估计器的频谱效率增益。为了便于分析,我们主要关注单比特量化下的频率平坦SIMO信道,并再次借助广义互信息来推导系统的可达数据速率。理论分析结果表明,当接收端的天线数不超过2时,MMSE估计器与LMMSE估计器的广义互信息相等。另一方面,数值结果表明,随着接收端天线的增多,MMSE估计器相比于LMMSE估计器的频谱效率增益越来越显著。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN919.3

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本文编号：1266658