非理想互易性对 Massive MIMO 容量的影响 | 带你读《大规模天线波束赋形技术原理与设计 》之十六-阿里云开发者社区

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非理想互易性对 Massive MIMO 容量的影响 | 带你读《大规模天线波束赋形技术原理与设计 》之十六

简介: 在大规模天线系统中,随着基站天线个数和空分用户数的增加,信道信息获 取成为系统实现的瓶颈。当采用 TDD 模式时,在相干时间内基站可以利用上行信 道估计信息来进行下行预编码的设计,进而减少下行导频以及用户 CSI 反馈的开 销。然而,实际系统中,整体通信信道不仅包括空中无线部分,还包括通信双方 收发机的射频电路。虽然空中信道满足上下行互易性,但是考虑到收发射频电路的 不一致性,如果不进行精准的电路校准,上下行整体信道无法保证互易性精度[21]。 本节将通过理论分析,研究非理想互易性对大规模 MIMO 系统性能的影响。
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第2章

大规模天线理论

2.3.2 时变信道下 Massive MIMO 容量分析

2.3.3 非理想互易性对 Massive MIMO 容量的影响

在大规模天线系统中,随着基站天线个数和空分用户数的增加,信道信息获 取成为系统实现的瓶颈。当采用 TDD 模式时,在相干时间内基站可以利用上行信 道估计信息来进行下行预编码的设计,进而减少下行导频以及用户 CSI 反馈的开 销。然而,实际系统中,整体通信信道不仅包括空中无线部分,还包括通信双方 收发机的射频电路。虽然空中信道满足上下行互易性,但是考虑到收发射频电路的 不一致性,如果不进行精准的电路校准,上下行整体信道无法保证互易性精度[21]。 本节将通过理论分析,研究非理想互易性对大规模 MIMO 系统性能的影响。
1.信号模型
考虑完整的通信信道收发两端的 RF 电路增益,则上行和下行的信道矩阵 分别为
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阵。因此,发送机和接收机 RF 电路增益的失配将破坏通信信道的互易性,从而导致用户间干扰的产生。
2.频谱效率分析
根据式(2-16)可知,第 i 个 UE 的接收信号为
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于是,可以得到当 RF 增益失配时,第 i 个 UE 接收信号的信干噪比 (SINR)为
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通过上式可以看出,终端 RF 增益失配对系统性能的影响很小,当幅度变 化方差较小时,和速率下降也较小,同时相位失配不影响系统的吞吐量。然而, 当基站端 RF 增益失配时,无论幅度和相位失配都会引起用户间的干扰,从而 导致系统性能严重下降。
3.数值仿真
为了清晰地展示 RF 增益失配对系统性能的影响,分别对 RF 增益的幅度失 配和相位失配进行了系统性能的仿真评估。
图 2.13 描述了 RF 增益幅度失配对系统性能的影响。发送信号的信噪比分 别设为 0dB 和 5dB。可以看到,随着 BS 端和 UE 端 RF 增益的幅度方差增加, 遍历和速率的曲线近似成线性下降。相比较而言,BS 端 RF 增益的幅度失配对 系统性能的影响比 UE 端更大。当信噪比从 0dB 提高到 5dB 时,与 BS 端幅度 失配相应曲线的斜率下降明显,系统性能损失更严重,而同时与 UE 端幅度失 配相应曲线的斜率保持不变。这说明,BS 端 RF 增益的幅度失配造成了用户间 干扰,而 UE 端增益的幅度失配则没有,这也与理论分析一致。
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图 2.14 绘制了 RF 增益相位失配对系统性能的影响。发送信号的信噪比分别 设为 0dB 和 5dB。可以得出,随着 UE 端 RF 增益相位范围的增加,遍历和速率 的曲线保持不变,这说明其对系统性能没有影响。同时,当 BS 端 RF 增益相位 失配时,遍历和速率大大下降。随着信噪比增加,系统性能的损失也越大。这表 示 BS 端 RF 增益的相位失配也会造成用户间干扰,理论分析也说明了这一点。
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2.3.4 Massive MIMO 的系统性能分析

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