大规模MIMO中上行下行解耦的频谱效率和能量效率研究

The trends in the network heterogeneity increasing, the widely usage of the mobile terminals, and the rapid growing of the data service facilitate the 5G mobile systems to continuously increase the performance of the spectral and energy efficiency. Additionally, 5G mobile communication systems should improve the uplink and downlink asymmetric problems for the service coverage, the load and the data traffic. Notably, the decoupled uplink and downlink technique can solve above asymmetric problems by breaking the traditional constrain, that is, mobile terminals must associate with the same base station in both the uplink and downlink directions. Considering the advantages of massive MIMO in promoting the spectral and energy efficiency performance, this project will study the uplink and downlink decoupling in massive MIMO system. Focusing on improving the spectral and energy efficiency, firstly, we will analyze the system-level performance; secondly, we will design the user association criterion and algorithm by considering multiple factors; finally, we will study the possibility and advantage of the bidirectional network which is inspired by the decoupling concept, and then the complete theory systems of the uplink and downlink decoupling massive MIMO system will be established. The results of this project will provide theoretical foundation and technique support for the future mobile communication systems.

随着网络异构化加剧、智能终端迅速普及、数据业务快速增加，5G移动通信系统不仅需要持续提升频谱效率和能量效率，还需要改善日趋严重的系统上下行覆盖、基站负载以及上下行业务量的不平衡现象。上下行解耦技术打破了上下行方向绑定与同一基站传输的限制，能够有效改善与解决上述不平衡的问题。本项目结合大规模MIMO提升频谱效率和能量效率的优点，研究大规模MIMO中上下行解耦技术。围绕系统频谱效率和能量效率，开展大规模MIMO中上下行解耦的系统级性能分析，设计多因素联合的用户关联度量标准与算法，探索基于上下行解耦的双向网络的可行性及性能优势，形成较为完备的大规模MIMO上下行解耦系统理论体系，为未来移动通信系统的研究提供理论基础和技术支撑。

随着网络异构化加剧、智能终端迅速普及、数据业务快速增加，5G移动通信系统需要持续提升频谱效率和能量效率。为未来移动通信系统中大规模MIMO的研究提供一定理论基础和技术支撑。主要研究内容1）在非视距传播莱斯信道中，得到多小区多用户大规模MIMO系统频谱效率的渐近闭合表达式，证明采用导频数据联合处理可以提高系统性能，随着信道相干时间的增加，频谱效率可以得到提升。当相干信道足够长时，大规模MIMO中导频数据联合处理的性能无限逼近信道状态信息已知的情况。2）在时变信道中，研究导频和数据符号联合处理的频谱效率。推导系统容量的下界闭合表达式。提出了两种新的算法，分别是扩展预测和非预测方法。验证了所提出算法与传统的单步信道预测相比，表现出更好的性能，且系统性能不受信噪比限制，保证了联合处理策略的应用。3）多小区多用户大规模MIMO信道老化的频谱效率分析，推导频谱效率的闭式渐近表达式。研究结果揭示了大规模MIMO系统可补偿用户移动性引起的信道老化效应的性能损失，且用户的移动性越大，需要的导频资源越多，当接近最大频谱效率时，具有较高移动性的系统可能支持更多用户。4）采用MMSE接收机的大规模MIMO系统在莱斯衰落信道中的频谱效率性能。得出频谱效率的渐近近似表达式，讨论系统参数对大规模MIMO系统的影响，对大规模MIMO系统的设计有指导意义:提高莱斯衰落信道中直射径分量 的权重，选择合适的块衰落信道长度和导频序列，可以提高系统的频谱效率。5）解耦技术中新双工模式的探索。上下行解耦的网络辅助全双工技术对双向网络空域资源进行灵活分配缓解业务量不均衡。网络辅助全双工的无蜂窝大规模MIMO系统在保证上下行服务质量的情况下，解决总频谱效率最大化及网络应接纳用户数的问题，设计了联合用户选择与连续无线信息与功率传输的收发机。