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大型虚拟MIMO系统的性能分析

作　者: 余洁
导　师: 洪学敏
学　校: 厦门大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 能量效率频谱效率虚拟MIMO 自适应资源分配
分类号: TN919.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

移动通信蜂窝网是我国信息高速公路的重要组成部分,对国民经济有着巨大的推动作用。随着移动互联网和物联网的发展,对无线通信业务的需求增长迅速。为了在应对业务增长的同时保证移动通信蜂窝网络的可持续发展,联合提高网络的容量和能量效率是亟待解决的问题。多输入多输出(MIMO)技术通过在无线链路的两端分别装备多根天线,可以有效的提高无线通信系统的能量效率和(或)频谱效率。但是由于终端设备的尺寸的限制,MIMO技术的优势就受到了制约,虚拟MIMO (V-MIMO)技术通过多用户的分布式协作来模拟一个MIMO系统,突破了终端天线数的限制,有望于在蜂窝网的架构下获取较高的MIMO增益。V-MIMO技术可以用于提高系统的能量效率(EE)或频谱效率(SE)。了解EE和SE之间的置换关系有利于明确V-MIMO技术的性能极限,从而指导实际V-MIMO系统的设计与优化。目前在大型蜂窝V-MIMO系统中,EE和SE这对天然的矛盾体的关系还不明确。为此,本论文针对基于解码转发的多用户蜂窝V-MIMO系统的上行链路,研究了其EE与SE的折中关系。我们首先推导了描述EE-SE置换关系的隐函数通式。其次,在高SE和低SE两种极限情况下,我们推导了描述EE-SE置换关系的闭合表达式,并针对高SE的情况提出了一种优化EE-SE置换关系的启发式的资源分配方法。通过大量的理论和数值结果,我们系统性的研究了V-MIMO系统EE-SE置换关系随着终端用户空间密度、基站空间密度、解码转发传输协议设计等系统参数的影响。通过与传统的MIMO系统进行比较,我们发现在不同的场景情况下,V-MIMO系统并不一定总是对系统性能有益,而只在一定的EE或SE范围内有益。降低频谱复用率、动态资源分配以及用户密度控制,都对提高蜂窝V-MIMO系统的性能起着关键的作用。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-19
  1.1 课题研究背景及意义  13-15
  1.2 国内外研究现状  15-16
  1.3 论文的创新点  16-17
  1.4 论文主要贡献及结构安排  17-19
    1.4.1 主要贡献  17-18
    1.4.2 结构安排  18-19
第二章 MIMO系统与虚拟MIMO系统的容量研究  19-39
  2.1 引言  19-20
  2.2 蜂窝移动通信网络的发展史  20-21
  2.3 MIMO与V-MIMO概述  21-31
    2.3.1 MIMO技术概述  21-26
    2.3.2 V-MIMO技术概述  26-31
  2.4 虚拟MIMO的技术基础  31-35
    2.4.1 协作通信的基本概念  31-32
    2.4.2 虚拟MIMO技术的基本原理  32-35
  2.5 基于编码协作的虚拟MIMO技术  35-36
  2.6 虚拟MIMO的技术优势  36
  2.7 MIMO和虚拟MIMO的容量  36-39
第三章 MIMO系统与虚拟MIMO系统的容量研究  39-49
  3.1 引言  39
  3.2 容量曲线相关性质的证明  39-44
  3.3 容量曲线参数的优化  44-49
    3.3.1 优化工具箱简介  44-45
    3.3.2 容量曲线的优化  45-49
第四章大型虚拟MIMO系统的EE-SE的置换关系  49-69
  4.1 引言  49
  4.2 系统模型  49-54
    4.2.1 大型V-MIMO网络的随机模型  50
    4.2.2 第一阶段：本地广播  50-52
    4.2.3 第二阶段：分布式MIMO通路  52
    4.2.4 数据率平衡假设  52-54
  4.3 频谱效率与能量效率的置换关系  54-57
    4.3.1 VAA的天线数的PDF  55-56
    4.3.2 第二阶段SINR  56
    4.3.3 能量效率  56-57
  4.4 EE-SE置换关系的渐近线分析  57-59
    4.4.1 较高频谱效率  57-58
    4.4.2 较低频谱效率  58-59
  4.5 协议参数的优化  59-60
  4.6 数值结果和讨论  60-68
    4.6.1 协议参数的影响  61-65
    4.6.2 场景参数的影响  65-68
    4.6.3 低频谱效率和近似式的精确度  68
  4.7 本章小结  68-69
第五章总结与展望  69-71
  5.1 本论文工作总结  69
  5.2 后期工作展望  69-71
参考文献  71-76
致谢  76-77

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