【摘 要】
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随着第五代移动通信系统在人们生产生活中的普及,毫米波MIMO技术近年来得到了大量研究。然而对于毫米波MIMO无线通信系统的研究大都基于理想的射频器件条件。随着载波频率的提高,通信带宽的加大,射频前端所需的成本和功耗也随之提高,射频器件的非理想特性对于系统性能的影响也变得更加明显。以接收机为例,高频条件下低噪声放大器无法保持绝对的线性增益,在对接收信号的放大过程中将引入与输入信号相关的非线性干扰;为
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随着第五代移动通信系统在人们生产生活中的普及,毫米波MIMO技术近年来得到了大量研究。然而对于毫米波MIMO无线通信系统的研究大都基于理想的射频器件条件。随着载波频率的提高,通信带宽的加大,射频前端所需的成本和功耗也随之提高,射频器件的非理想特性对于系统性能的影响也变得更加明显。以接收机为例,高频条件下低噪声放大器无法保持绝对的线性增益,在对接收信号的放大过程中将引入与输入信号相关的非线性干扰;为了控制高传输带宽下的器件成本,模数转换器只能采用较低精度的量化,将给接收信号带来严重的量化失真与量化噪声。这些都会对最终的系统误码率性能和频谱效率产生一定影响,如果对这些非理想特性不加关注,实际系统性能将会远低于理论预期。因此,本文对毫米波MIMO通信系统中的射频器件非理想性进行了分析与建模。本文着眼于通信射频链路中的功率放大器与模数转换器,用三阶多项式函数和1d B压缩点建模功放的增益饱和现象,通过Bussgang分解与推广的Bussgang分解建立了通带低噪放非线性模型与基带功放非线性模型,并用加性量化噪声模型分析低比特均匀量化ADC引入的量化失真,分析了以上非理想器件引入的失真信号的统计特性。在此基础上,分析了功放的归一化1d B压缩点与ADC量化比特数对上行系统信道估计性能与下行数字预编码频谱效率的影响,用数值仿真计算了理想信道状态信息下不同器件参数与信道参数下上行系统线性检测器的可达速率、能量效率与误码性能。最后,针对本文非线性建模过程中引入的大量等效加性噪声以及传统线性检测器噪声增强的特点,本文采用了基于Lenstra-Lenstra-Lovasz算法的格基规约优化的线性MMSE检测算法作为非理想系统的基带接收机。本文的建模分析与仿真结果表明,功放与ADC量化器的非理想会导致上行系统基于导频的信道估计性能出现高信噪比下的平台现象,该现象通过增加信道训练阶段的导频开销的方式改善效果有限。在基站采用均匀天线阵列的莱斯信道下,非理想系统上行可达速率随着移动端发送功率的提升同样存在与信道莱斯因子相关的上界,视距信道下的上行速率是可达速率的下界。实际非理想系统中,采用本文的线性化建模并计算出等效噪声信号数字特征的前提下,采用线性MMSE检测器能显著降低高信噪比下的误码率,而采用格基规约辅助的LMMSE检测器能在此基础上进一步提升系统误码性能,器件非理想性越严重,这种提升效果越明显。
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