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多用户场景下大规模MIMO协作通信技术研究
| 论文题名： | 多用户场景下大规模MIMO协作通信技术研究 |
| 关键词： | 高速铁路;多输入多输出系统;协作通信;智能反射表面;安全性能;能量效率 |
| 摘要： | 高速铁路的迅猛发展，极大地方便了人们的出行。与此同时，高铁通信场景中车体穿透损耗高、信息私密性强以及需求量大等特点，对面向高铁的无线通信系统设计提出了新要求。而协作通信技术能够有效扩大信号覆盖范围、改善通信质量，还能从物理层提高信息传输安全，因此被广泛应用在高铁通信中。除了传统中继外，无源的智能反射表面（Intelligent Reflecting Surface，IRS）技术不仅可以帮助提升系统增益，还能避免额外的功耗。本文主要研究多用户通信场景下，协作中继和IRS辅助的大规模MIMO系统的和速率以及能量效率。 首先，针对目前物理层安全研究大多未考虑信道估计误差对安全性能的影响，研究基于非理想信道状态信息的全双工双向中继网络安全性能。采用最优中继选择方案，根据最大最小原则推导出系统安全容量和保密中断概率的表达式，进一步分析影响系统保密性能的主要因素，并对比全双工与半双工系统性能的差异。仿真结果表明，当中继节点处在用户间的中点位置时，系统保密性能最好；同时，减小信道估计误差、窃听链路的平均信噪比及剩余自干扰能够有效降低系统保密中断概率，适当地增加中继数目可以获得更好的安全性能。 其次，针对大规模MIMO中能耗较大的问题，研究多用户中继辅助大规模MIMO下行链路的和速率与能量效率。基站和放大转发中继均配备了低精度数模转换器（Digital-to-Analog Converters，DACs）。在莱斯衰落信道下，分别推导出具有理想和非理想信道状态信息的和速率的闭式表达式。提取了更为通用的功率缩放定律，在不降低和速率的同时节省信号发射功率。并提出了一种局部最优功率分配方案以提高活跃用户的信道容量。最后讨论了和速率与能量效率之间的权衡。仿真结果表明，在强视距信道条件下，和速率不受信道估计误差的影响。当基站天线数更大时，提升中继处的DAC量化位数更有价值。当DAC量化位数为4时，和速率与能量效率之间达到最佳平衡。 最后，为了进一步降低系统能耗，提高信号的利用率，在多用户场景中引入IRS替代传统中继。根据用户数对IRS进行分块，使其分别服务单个用户。通过在基站和反射表面处进行局部优化，推导了莱斯衰落信道下系统可实现和速率的闭式表达式。并建立功耗模型，分析和速率与能量效率之间的权衡。仿真结果表明，增大基站天线数可以有效提高系统和速率。当基站传输功率为28dBm左右时，能量效率达到最大值，并能保证可观的可实现和速率。最后，所提出的最优功率分配方案可以有效改善系统传输速率。 |
| 作者： | 吴泽祥 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 丁青锋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华东交通大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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