大规模多天线通信网络的性能分析.pdf

Applications创新应用402 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月案3。环路干扰与来自源节点的接收信号之间的大幅度差可以超过接收侧模拟到数字转换器的动态范围，因此，抑制环路干扰对于全双工通信4,5至关重要。如何克服环路干扰的有害影响是全双工研究中一个高度活跃的领域。传统上，环路干扰抑制是在天线域中使用的各种无源技术，电磁屏蔽发射天线与接收天线。由于发射和接收阵列之间的距离很短，这种技术需要很大程度的环路干扰抑制，因此很难实现。另一方面，有源时域环路干扰消除技术利用干扰信号对射频信号中的环路干扰进行预消除，实现了更高水平的环路干扰抑制。它们需要先进的噪声消除方法和精密的电子才可以实现3。然而，MIMO处理为抑制空域的环路干扰提供了一种有效的手段。对于全双工中继的多个发射或接收天线，可以采用预编码解决方案，如迫零（Zf），以减轻环路干扰的影响。简单的ZF预编码器虽然总体上处于次优状态，但可以完全消除环路干扰，消除中继站输入输出之间的闭环干扰。2 大规模MIMO系统模型针对大规模MIMO全双工中继系统是多个单天线信源，同时与使用一个有Ntx发射天线和NRx接收天线的中继和多个单天线目的地进行通信。在信道状态信息不完全的实际情况下，中继可采用最大比合并/最大比传输（MRC/MRT）或迫零（ZF）处理接收信号，采用解码转发（DF）或放大转发（AF）方案，可得MRC/MRT和ZF处理方法的频谱效率的表达0 引言随着物联网的应用，5G和6G网络的快速发展，对移动通信提出更高的要求，需要进一步发展新技术以满足5G，6G网络的性能要求。1 研究背景大规模MIMO是指蜂窝基站分布数十甚至数百根天线的MIMO系统，就是通过增加发射天线和接收天线的数量，即设计一个多天线阵列，来补偿高频路径上的损耗。它能够仅用比较简单的线性信号处理技术就能显著提高系统信道容量，增强链路可靠性，降低传输功率，并能有效解决当今移动通信面临干扰受限和覆盖受限问题。由于大规模MIMO技术能够大幅提高宽带无线通信频谱利用率和功率利用率，故其能成为满足5G，6G网络需求的最具发展潜力技术之一。大规模MIMO系统大大减少噪声、快速衰落和干扰的影响。重要的是，可以使用简单的信号处理技术和降低总发射功率来获得这些吸引人的大规模MIMO特性。因此，大规模MIMO与协作中继相结合是未来节能蜂窝网络发展的有力选择1。在并行信道上，全双工中继以其恢复传统半双工中继所造成的带宽损失的能力而引起了广泛的研究兴趣，在全双工中继的作用下，中继节点在同一信道上同时接收和传输2。因此，全双工更有效地利用频谱资源。近年来，在理论和实验硬件平台上都取得迅速进展，使全双工无线通信成为一种有效的实用解决方基金项目：2021年度广东省普通高校特色创新类项目（2021KTSCX279）。作者简介：郭丽丽，深圳信息职业技术学院信息与通信学院；研究方向：通信工程。收稿日期：2023-08-24；修回日期：2023-09-22。摘要：阐述大规模MIMO系统减少噪声、快速衰落和干扰的影响，提供更高的吞吐量。分析大规模MIMO技术特点，全双工中继系统模型，提出可行的系统设计方案。关键词：大规模MIMO，中继系统，性能分析。中图分类号：TN929.5 文章编号：1674-2583(2023)10-0402-02 DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.185文献引用格式：郭丽丽.大规模多天线通信网络的性能分析J.集成电路应用,2023,40(10):402-403.大规模多天线通信网络的性能分析郭丽丽（深圳信息职业技术学院 信息与通信学院，广东 518172）Abstract This paper describes the reduction of noise,rapid fading,and interference in large-scale MIMO systems,providing higher throughput.Analyze the characteristics of large-scale MIMO technology,establish a full duplex relay system model,and propose feasible system design solutions.Index Terms large-scale MIMO,relay system,performance analysis.Analysis on Performance of Large Scale Multi antenna Communication NetworksGUO Lili(School of Information and Communication,Shenzhen Institute of Information Technology,Guangdong 518172,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 403式，如式（1）和式（3）所示。（1）（2）为了显著降低环路干扰效应，可使用两种技术：（1）使用大规模接收天线阵；（2）在中继站使用大容量发射天线阵和较低的发射功率。由此可得到MRC/MRT处理和ZF处理的可达速率表达式，由此可确定全双工模式优于半双工模式的区域，以及设计最佳的功率分配方案。研究在信源到中继端链路的可达速率和中继端到目的地链路的可达速率相等的约束条件下，可讨论各种功率缩放律，以呈现源节点、中继节点以及导频信号的发射功率之间的关系，讨论Ntx和NRx在一定比例时的通信服务质量性能，也可以讨论系统在给定约束条件下的动态功率分配方案，得出系统的频谱效率。最优功率分配方案的目的是在可达速率相等的约束条件下，最大限度地提高给频谱效率的能效。针对混合预编码的研究，可考虑将改进单用户交替最小化混合预编码算法，使其引入到毫米波大规模 MIMO中继系统中，推导采用半双工中继的最优全数字预编码方法的频谱效率。对于全双工中继，随着回环干扰强度的不断增加，全数字预编码的频谱效率与交替最小化混合预编码的频谱效率之间的差距逐渐变小。3 大规模MIMO中继系统设计方案针对信源到中继端链路的可达速率和中继端到目的地链路的可达速率的作为约束条件，可设计一种大规模MIMO中继系统，来解决传输可达速率不确定的问题，讨论大规模MIMO中继系统的最优功率分配方案。在假定信源到中继端链路的可达速率和中继端到目的地链路的可达速率相等的情况下，考虑一种多对译码转发（decode-and-forward，DF）中继系统，利用大规模MIMO的中继站,分别使用迫零（ZF）或最大比合并/最大比传输（MRC/MRT）技术来获得信道估计,来处理并转发信号；同时考虑具有收发器硬件损伤的更实际的场景下，讨论全双工模式与半双工模式下的最优的动态功率分配方案。考虑这种功率分配方案的目的是在中继站和信源的峰值功率约束下，在频谱效率一定的情况下，提高能量效率,如图1所示。针对上述提出的约束条件，进一步研究中继系统在放大转发（AF）方案传输，分别使用迫零（ZF）或最大比合并/最大比传输（MRC/MRT）获得的信道估计,来处理并转发信号；同时讨论全双工模式与半双工模式下的最优的动态功率分配方案,如图2所示。针对一个单用户交替最小化混合预编码算法做研究，将其应用到AF中继系统和毫米波大规模MIMO-OFDM中继系统中，分别针对全双工和半双工做系统仿真，并进行性能分析；同时改进单用户交替最小化混合预编码算法，将其推广到毫米波大规模MIMO AF中继系统，形成多用户混合预编码算法，进行系统仿真及性能分析。如图3所示。4 结语本文主要讨论了大规模MIMO中继系统的系统模型，分析了三种可行的系统设计方案，可从信源到中继端链路的可达速率和中继端到目的地链路的可达速率相等为约束条件,讨论DF和AF下的最优功率分配方案，从而进行系统频谱效率性能分析。参考文献1 E.G.Larsson,F.Tufvesson,O.Edfors,T.L.Marzetta.Massive MIMO for next generation wireless systemsJ.IEEE Commun.Mag.,2014,52(2).186-195.2 D.W.Bliss,P.A.Parker,A.R.Margetts.Simultaneous transmission and reception for improved wireless network performanceC.in Proc.IEEE Workshop Statist,Signal Process(SSP),2007:478-482.3 T.Riihonen,S.Werner,R.Wichman,Mitigation of loopback selfinterference in full-duplex MIMO relaysJ.IEEE Trans.,Signal Process,2011,59(12):5983-5993.4 M.Duarte,Full-duplex wireless:Design,implementation and characterizationD.Rice University,Houston,TX:Ph.D.dissertation,2012.5 M.Duarte,A.Sabharwal,V.Aggarwal,R.J a n a,K.R a m a k r i s h n a n,C.R i c e,N.S h a n k a r a n a r a y a n a n.D e s i g n a n d characterization of a fullduplex multi-antenna system for WiFi networksEB/OL.http:/arxiv.org/abs/1210.1639.图1 系统设计方案一 图2 系统设计方案二图3 系统设计方案三