萊斯環(huán)境下多用戶MIMO中繼系統(tǒng)研究.pdf

1、大規(guī)模MIMO(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通過在基站配置幾十甚至幾百根天線，可以在同一信道上服務(wù)多個用戶，從而將系統(tǒng)容量提升10倍以上且將能源效率提升10-100倍。因此，大規(guī)模MIMO被學(xué)術(shù)界、工業(yè)界公認(rèn)為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，信號傳輸具有精準(zhǔn)的方向，視距信號(Line of Sight，LoS)占據(jù)主導(dǎo)地位。萊斯（Ricean）分布能很好地刻畫存在LoS信號的信道

2、衰落特性。基于此，考慮Ricean衰落信道，針對多用戶MIMO系統(tǒng)，本文展開了一系列研究。
　　首先，針對認(rèn)知多用戶小規(guī)模MIMO上行鏈路（即:N個單天線認(rèn)知用戶在同一信道上和配置M根天線的基站通信），考慮迫零波束成型(zero-forcing transmission，ZF)傳輸方案，利用非中心Wishart分布等數(shù)學(xué)知識，本文獲得了其在兩種功率約束方案下的可達(dá)速率的閉合表達(dá)式。本文所考慮的兩種功率約束條件如下:即(1)單功率約

3、束條件:PS=Pmax，(2)雙功率約束條件:PS=min（Ia/|gSn，P|2，Pmax），其中Pmax為認(rèn)知用戶n的最大發(fā)送功率，Ia為授權(quán)用戶所能容忍的最大干擾功率，gSn，P為認(rèn)知用戶n到授權(quán)用戶的信道衰落系數(shù)，PS為認(rèn)知用戶n的發(fā)射功率。數(shù)值與仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。本項(xiàng)研究成果可用于指導(dǎo)MIMO上行鏈路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
　　接著，針對多用戶大規(guī)模MIMO雙向放大前傳中繼網(wǎng)絡(luò)，考慮最大比合并/最大比傳輸(maxi

4、mum-ratio combining/maximum-ratio transmission，MRC/MRT)，以及ZF兩種波束成型方案，本文獲得了當(dāng)中繼天線數(shù)目M→∞時，系統(tǒng)可達(dá)速率漸進(jìn)結(jié)果的閉合表達(dá)式。特別地，我們考慮了四種典型功率分配方案，即:(1) PU=EU，PR=ER;(2)PU=EU/M, PR=E R;(3) PU=EU, PR=2NER/M;(4) PU=EU/M, PR=2NER/M。其中PU為用戶的傳輸功率，PR表

5、示中繼的總功率，EU，ER是固定值，N表示用戶對數(shù)。研究表明:在中繼天線數(shù)目M→∞時，小尺度衰落、共道干擾被消除，可達(dá)速率趨向于一個定值。本項(xiàng)研究成果對于大規(guī)模MIMO中繼網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。
　　最后，本文研究了不完備CSI(channel state information，CSI)對多用戶大規(guī)模MIMO雙向放大前傳中繼網(wǎng)絡(luò)性能的影響，獲得了系統(tǒng)可達(dá)速率和能源效率的漸近表達(dá)式。研究表明:不完備CSI會降低用