大规模mimo系统预编码算法和导频污染问题研究

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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文专用术语注释表SNRSignalNoiseRate信噪比SINRSignalInterferenceNoiseRate信干噪比TDDTimeDivisionDuplex时分复用TSTabuSearch禁忌搜索VPVertorPrecoding向量预编码ZFZero-forcing迫零VI万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论第一章绪论随着互联网和多媒体技术的广泛普及，人们对无线通信系统的需求也日益扩张，运营商希望能够充分利用有限的频谱资源，提高更高的数据传输速率和更可靠的服务。本文主要研究技术热点——

2、多输入多输出（MIMO）技术。1.1MIMO技术的演进在过去的20多年里，MIMO技术得到了广泛而深入的研究。由于它能够显著提升无线系统的容量和可靠性，得以应用到许多的无线标准中。最初，研究工作的主要内容是单用户的MIMO（SU-MIMO）系统，即两个配有多根天线的设备互相通信。近年来，研究重点已经转向更加实际的多用户MIMO（MU-MIMO），在该系统中，一个配有多根天线的基站同时服务多个单天线设备，从而这些设备可以共享天线的复用增益，也正因为如此，MU-MIMO相较SU-MIMO降低了对通信环境的要求。而且，配有单根天线的用户端的成本远

3、比配有多根天线的基站要低，减少了系统的成本。基于以上的原因，MU-MIMO成为了通信标准的中坚力量在世界范围内展开部署，例如802.11（WiFi）、802.16（WiMAX）、LTE等。为了获得更大的系统增益，同时简化必要的信号处理，Marzetta于2010年提出了大规模[1-2]MIMO（MassiveMIMO）这一概念。与MU-MIMO系统不同的是，基站端的天线数由低[2]于10增加至100甚至更多。根据随机矩阵理论，天线数的剧增带来的变化是，通信过程中不相关的噪声和小尺度衰落被消除，每个蜂窝小区内的用户个数独立于小区的规模，发射端

4、所需要的功率也变得相当小。这些随之而来的优势让国内外学者认识到大规模MIMO强大的潜力和广泛的实际应用意义，使它成为了移动通信的研究热点。1.1.1单用户MIMO系统MIMO技术通过在基站和用户端端配置多根天线，充分利用空间复用增益和空间分集增益为用户提高更好的服务。最早出现的是单用户MIMO系统，也就是点对点MIMO系统，如图1.1所示。根据收发两端天线数的不同，单用户MIMO系统可被分为单入单出（SISO）系统、单入多出（SIMO）系统和多入单出（MISO）系统。这类技术能够将系统容量和频谱[3-4]效率提高好几倍，而且还不需要增加额外

5、的带宽和基站发射功率，满足了人们对无线移动1万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论通信的基本要求。用户基站图1.1单用户MIMO系统示意图然而，研究结果显示，单用户MIMO的系统容量不会随天线数一直增加，当天线数达到[5-6]某一特定值，系统容量将逐渐趋于平缓。1.1.2多用户MIMO系统随着人们对通信带宽的需求不断扩张，研究者们考虑对现有的单用户MIMO系统做一些改进，能够允许MIMO系统中同时有多个用户端发送或接收信号。我们就称之为多用户MIMO系统，以下简称MU-MIMO系统，如图1.2所示。基站用户图1.2多用户MIMO系

6、统示意图该系统被证明具有如下四个特点：（1）提高通信速率由于基站配有多根天线，意味着系统可发送更多相互独立的数据流，可同时服务的用户端也相应增加。（2）增强系统可靠性无线信号的传播路径也因为天线数的增加变得多样，单根天线的故障不会带来很大的影响，额外的空间自由度保证了系统的可靠性。2万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论（3）提升能量利用率基站已知用户端的位置，能够将发射能量用于传输信号给目标用户，这大大减少了能量的无效使用。（4）减少干扰既然基站已知目标用户的位置，那么完全可以避免发送信号到无关的用户，减少了降低系统性能的干扰。

7、在时分双工（TDD）复用模式下，基站配置的天线数越多，以上四点的性能就更佳。然而，为了实现以上优势，MU-MIMO也付出了相应的代价，譬如基站的硬件复杂度、基站和用户两端用于信号处理的能量损耗。为了将用户间干扰稳定在一个可控的级别，MU-MIMO基站在发射信号给多个用户之前，需要采用比单用户MIMO系统中更先进的预编码算法进行处理。近来，MIMO技术已经趋于成熟，也逐渐与无线宽带标准融合起来，比如正在使用和发展中的LTE-A、4GLTE。在LTE-A标准中，由于功率的限制，基站最多只能配置8个天线端口，而在实际的部署中，甚至都没有达到这个值

8、，可见MU-MIMO技术的优点没有完全表现出来。1.1.3大规模MIMO系统现有的带宽提供已经远不能满足现代人类日益膨胀的需要，研究者们开始考虑大幅度增加在基站配置的天线数，10