基于放大转发协议的大规模MIMO中继系统的性能研究

作     者：刘洋 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁杰

授予年度：2017年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：前向放大转发中继 大规模MIMO系统 线性检测方案 完备/不完备的CSI 大尺度衰落 信道评估 可达率 安全传输 

摘      要：无线通信技术的快速发展,使人们对于更高的数据速率、更好的服务质量和更高的网络容量的需求日益提高。局限于有限的可用频谱资源的约束,多输入多输出(MIMO)系统已经成为最有效解决这些问题的关键技术之一。在中继处配备数百乃至更多天线的大规模MIMO系统,在提升系统数据速率以及有效提升通信质量的前提下,具有能够显著增强空间分辨率、有效消除干扰噪声的影响、降低发射功率等优点,使其成为5G移动通信网络构架的关键技术之一。协作中继技术具有能够获得更高的容量、更长的网络生命周期等优点。在大规模MIMO系统中应用放大转发(AF)中继技术,在降低信源-信宿直传链路所带来的路径损耗以外,利用数百根天线收发数据,能够同时高效地完成多个用户之间的信息交互,为大规模MIMO系统的性能优势锦上添花。首先,本文聚焦于基于放大转发协议的大规模MIMO系统模型,即配备N根天线的中继站作为桥梁完成K个单天线的信源用户(N》K)与K个单天线的信宿用户的信息传递。在完备的信道状态信息(CSI)下,探究了三种线性中继检测方案,即最大比率合并/最大比率传输(MRC/MRT)、迫零接收/迫零传输(ZFR/ZFT)与最小均方误差(MMSE)对系统性能的影响的优劣。同时,在完备的CSI下考虑基于Gamma分布建模的大尺度衰落在传统的功率尺度分配方案下对系统的影响。数值仿真结果表明:在有效消除系统噪声干扰的基础上,MMSE方案优于MRC/MRT和ZFR/ZFT而存在,大尺度衰落参数能有效地提升系统的性能至一定水平后维持恒定。其次,考虑实际情况不完备的CSI的情形,利用信道评估在功率尺度分配方案下探究系统的性能变化。其一,中继处采用MMSE方案时,采用直接评估的方法探究了信道评估误差对系统性能的影响。其二,中继处采用ZFR/ZFT方案时,采用最小均方误差评估方法,考虑导频信号的传输功率pp固定与变化时,在不同的功率尺度分配方案下研究系统性能变化。数值仿真结果表明:当中继天线数目趋于无穷时,在有效节约系统发射功率的基础上,系统可根据实际情况选择具体的功率尺度分配方案。最后,鉴于实际通信系统中存在窃听用户的安全传输的情形,本文展示了在半完备的CSI下中继采用ZF检测方案以及最小均方误差信道评估时,窃听用户的存在对大规模前向放大转发MIMO系统的影响。数值仿真结果表明:系统有用可达率会随着中继天线数目增长而增长后趋于稳定,窃听者窃听信息会随着中继天线数目的增长而降低后趋于稳定。