模型信道容量信号的传输反向链路的容量前向链路的容量系统信道的关键参数特征值，秩和条件数天线相关性预编码技术概述信道状态信息的必要性预编码技术的分类本章小结第三章大规模系统预编码技术系统和数学模型系统模型数学模型基于迫零准则的预编码基于最小均方误差准则的预编码基于最大信漏比准则的预编码本章小结第四章导频污染概述传输方案基本原理多小区系统模型导频污染的原因最大终端数目导频污染的原因导频污染分析多小区预编码技术迫零预编码最小均方误差预编码结果分析本章小结万方数据第五章总结与展望全文总结未来的工作参考文献附录攻读硕士学位期间撰写的论文致谢万方数据专用术语注释表符号说明发射天线数目接收天线数目信道矩阵表征小尺度衰落预编码矩阵传输矩阵信道容量信号的均值保护间隔最大时延展宽信号持续时间表征大尺度衰落系数缩略词说明多输入多输出共信道干扰信道信息时频分正交频分复用迫零最小均方误差信漏比信干比邻道干扰码间串扰相移键控信噪比万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论第章绪论在最近的几十年里，无线通信的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，而且发展速度越来越快。比如蜂窝移动通信系统，也出现了云计算和物联网等高新技术以及高速发展的移动数据业务。而且随着的蓬勃发展，的大驾光临以及未来的，移动通信的主要业务变成了移动互联业务而非以往的语音服务了。然而，对于移动通信系统而言，其可利用的资源，如频谱，发射功率等均是有限的，那么如何利用这些有限的资源来满足人们对于无线通信需求的迅猛增长，成为了个非常有意义同时也是当今通信领域最为活跃的研究课题。无线通信技术无线通信技术的发展最早的无线通信出现在前工业化时期，这些系统使用狼烟火炬闪光镜信号弹或者旗语，在视距内传输信息。但是这些信号所含有的信息较为简单，内容较少，随着时间的推移已经不能满足人们的要求了，所以前人又开始摸索设计更为复杂的信号来表达更多的信息。同时早期的信号还有个巨大的弊病，那就是传输的距离不够。为了克服这个问题，所以每隔段距离就会设置个观察。可以证明，这些速率都可以通过基于上行导频信号的信道状态信息捕获技术在无协作的基站下得到。随着系统天线阵列的增大，对关于的研究也产生了些变化。是需要引入随机矩阵理论。之前研究的看似随机的东西，现在可能会是确定的。例如，信万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论道矩阵的奇异值近似确定。另方面，必须限制些比较庞大的矩阵，而且，当矩阵的维数很大的时候，些矩阵运算，例如求逆，可以通过级数扩展技术来实现快速运算。假如基站天线数目无限，而每个用户仅有根天线，那么在上行链路使用最大比合并的线性处理方式，在下行链路使用最大比发射的线性处理方式。天线数目增大带来的第二个影响就是热噪声对系统的干扰可以被平均掉而忽略不计，所以系统主要是受来自其他发射机的干扰影响。对于上行链路来说，这是显而易见的，因为接收端的相关平均处理能够完全消除天线间不相关的参量，尤其是热噪声。然而，这种作用对于下行链路来说，不是那么的明显。在定的条件下，大规模系统的性能受相邻小区导频序列重用限制比较厉害。即使导频选择的再好也不会有多么好的改善，因为信道的相关时间是有限的。在时分复用中，导频重用带来的影响不可忽略不计，这会在本文中得以详细介绍，但是前提是信道是交互的双工方式为，而且基站是通过使用上行接收的导频来进行下行信道估计的。最后，当阵列的孔径增大，天线的分辨率也增大，这就意味着我们可以拥有前所未有的精度来辨别个个散射中心。随着天线数目的增大，通信性能会主要取决于传输的整体特性，例如信道矢量和特定终端的正交性。当然，因为物理条件的限制，天线的数目不可能取任意大。如果让发射天线数目和接收天线数目趋向于无穷大，用来研究真实条件下的数学模型就没有用了。比如，我们得到的总的接收功率会超过发射功率，而这是不可能发生的，那么这就变得没有实际意义了。但是，在这种模型失去作用之前，还有很多的问题需要研究。比如，究竟什么样的数目才算是无穷大当然，答案取决于实际情况了，般情况下，我们认为大规模系统在基站至少有根天线，但可能会少于根。图为个含有根天线的室内基站。总的来说，上面提到的关于大规模的诸多问题都会成为新的研究热点，主要包括信号处理，编码以及网络设计等。本文主要是对这些问题的些方面进行研究，涵盖了些实际的算法，理论上的性能极限等等。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论图大规模天线实物本文的主要研究内容大规模技术是第五代移动通信的关键技术之，它对系统性能的提升有着重要的贡献，已经成为了当前无线通信领域研究的焦点之。本论文主要的研究内容包括大规模信道模型的研究以及系统模型的建立。大规模系统容量的分析研究。按照不同的预编码方案，在已知的前提下，深入研究了线性预编码的些算法对系统性能的影响并做比较和仿真。针对天线数目的增加而产生的导频污染问题进行深入的研究探索，并提供种能够减小导频污染的预编码方案。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章大规模信道模型和系统综述第二章大规模信道模型和系统综述本章介绍大规模无线信道，信号模型，信道容量以及信道矩阵的特征值，秩，条件数等决定系统性能的关键参数以及有关于预编码技术的简要概述。信道和信号模型由于传播环境的复杂性和多变性，无线信道上进行的通信非常具有挑战性。为了得到好的通信质量，更好的服务用户，在设计无线系统的时候，需要考虑很多因素，本章的模型设计暂时不考虑小区间的合作问题。首先，我们介绍大规模传输的信道模型，如图所示。然后再根据无线传输的信道模型，得到信号模型。调制比特流输入空时编码空时译码解调比特流输出图大规模信道模型图图中，描述的是个发射天线数目为，接收天线数目为的系统。在大规模系统中，的大小应该大于，但应该小于。信道矩阵可以用来表示接收天线和发射天线之间的信道衰落特性，为个大小为的矩阵。这里中的任意个元素表明从发射天线到接收天线的信道增益。对发射信号的总功率约束为，但在这里我们对其进行归化，也就是可以得到，接收信号与发射信号之间的关系为其中，是的接收信号矢量，是的信道矩阵，是的发送信号矢量，是的具有独立同分布的噪声矢量，服从𝒞𝒩，复高斯分布，是衡量信噪比的参量，正比于发射功率与噪声方差的比值。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章大规模信道模型和系统综述信道容量天线数目的增大，将会导致系统容量的增大，这也是为什么要引入大规模系统的原因之，也是人们正在研究的焦点之。人们对无线通信的需求越来越高，对数据业务的使用也越来越频繁同时数据量也越来越大，所以系统容量的增加，能够有效的解决或缓解这问题。讨论多用户的背景是，基站共有根天线，同时服务共有个终端因为我们要同时研究前向和反向的信道容量，所以在这里就不用和了。在这里，假设每个终端搭载根天线。多用户系统与点对点系统的区别在于每个终端相互独立，很好的隔离开来终端与终端之间不会相互协作。信号的传输假定系统采用的是时分双工的操作方式，因此，反向链路的传输矩阵是前向链路的传输矩阵的转置。在这里，我们着眼于时分双工而不是频分双工的原因是，我们需要在有限的时间内在数目极大的发射天线和数目较小的接收天线之间获取信道状态信息。我们知道，发射反向链路导频信号所需的时间与发射天线的数目无关，但是，发射前向链路导频信号所需的时间与发射天线数目成正比。反向链路的传输矩阵是，大小是，是由大小为的矩阵表征了小尺度衰落与大小为的对角矩阵对角元素组成了的向量，是大尺度衰落系数的乘积得到大尺度衰落有路径损耗和阴影衰落。所以，由此可以看出，矩阵的第列向量表明了第个终端和根发射天线之间的小尺度衰落，而矩阵对角线上的第个元素则是大尺度衰落的衰落系数。为了简单起见又不是般性，我们假定根天线排列足够紧密使得对于特定终端的所有传输路径都受同种大尺度衰落的影响。这里我们将大尺度衰落系数归化，那么小尺度衰落系数就限定在以内。对于多用户大规模系统来说，发射机天线数目远远超过了终端的数目，在理想传播条件下，传输矩阵的列向量趋于正交，即≫≫万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章大规模信道模型和系统综述反向链路的容量在反向链路上，对每个信道来说，个终端共同发送的矢量信号，而基站的天线接受到的矢量，即式中，是的接收噪声矢量，其中的分量独立同分布，服从复高斯分布𝒞𝒩，。正比于功率与噪声方差比，表征信噪比的大小。每个终端受限于功率限制，假定基站已完全已知信道状态信息，那么，反向链路多用户系统可以达到的总的传输速率也就是信道容量大于等于每个终端存在相处协作时的速率，即⁡显然不是每个终端有能够达到这个速率，比如，有的终端的慢衰落系数接近于零，那么这个终端就达不到上述的传输速率。在满足式要求的理想传播条件下，如果发射天线数目远远大于终端数目，那么式可以近似为≫上式是在我们假定传输矩阵的列相互正交的前提下得到的，也就是∙在这个假设条件下，基站能够通过匹配滤波器来处理它接收到的信号，如下所示通过匹配滤波器之后，就不同终端发送的信号就能区分开来。对第个终端发送的信号的译码也仅仅需要式中的第个分量通过式亦知，信噪比为，为每个终端带来不同的传输速率，与式中第个传输速率致。前向链路的容量对于每个信道而言，基站通过根天线传送的矢量信号，个终端同时接收到了的矢量信号，表达式如下万方数据单位代码密级公开硕士学位论文论文题目大规模系统预编码算法研究张友雷宋荣方通信与信息系统无线数据与移动计算工学硕士学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期万方数据万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档允