基于低分辨率ADC的大规模MIMO系统基础理论研究

批准号:
61601020
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
章嘉懿
依托单位:
学科分类:
F0105.移动通信
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘天骄、梁亚楠、黄文俊、邓立凯、刘玉真、薛昔朋
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中文摘要
大规模多输入多输出(MIMO)技术是公认的5G关键技术之一,但其在实际应用中仍面临成本过高、功耗过大等瓶颈。在大规模MIMO系统中采用低分辨率模数转换器(ADC)来取代传统的高分辨率ADC,成为解决这一瓶颈问题的有效方案之一。然而,低分辨率ADC不可避免地引入非线性失真效应,降低系统性能。为此,本项目将考虑低分辨率ADC的非线性失真,以高维随机矩阵、信息论、压缩感知和凸优化为理论工具,构建基于低分辨率ADC的大规模MIMO系统理论框架。首先,推导系统频谱效率和能量效率的准确表达式,并设计信道容量可达的最优发射信号分布;其次,综合考虑系统导频污染、非理想信道状态信息、空间受限、相位噪声和功放失真等非理想因素的性能,揭示制约系统性能的关键因素;最后,结合毫米波技术,分析系统在具有稀疏性和频率选择性的毫米波信道下可达性能界。本项目可为满足5G高谱效高能效的大规模MIMO系统实际部署提供理论指导。
英文摘要
Massive MIMO technology has become one of the key technologies for 5G. However, the high cost and power consumption bottleneck has not been solved in massive MIMO systems. One of the effective solutions to these bottlenecks is to deploy low-resolution ADCs instead of high-resolution ADCs in massive MIMO systems. However, the nonlinear distortion caused by low-resolution ADCs decreases the system performance significantly. Therefore, we will consider the nonlinear distortion caused by low-resolution ADCs and investigate the fundamental theory of massive MIMO systems with low-resolution ADCs by using the tools of high-dimension random matrix, information theory, compress sensing, and convex theory. First, we will derive the exact, closed-form expressions of spectral and energy efficiency, and design the capacity-achievable optimum transmit signal distribution. Then, we will study the key facts and theory of limiting the system performance under imperfect conditions, such as pilot contamination, imperfect channel state information, space constrain, phase noise, and power amplifier distortion. Finally, with the mmWave technology, we will analysis the achievable performance bounds of massive MIMO systems over sparse and frequency-selective mmWave channels. The purpose of this project is to provide theoretical instructions for practical massive MIMO systems, which fulfill the requirement of high spectral and energy efficiency of 5G.
在频谱资源日趋紧缺的情况下,需要引入大规模MIMO技术以满足新一代宽带移动通信网络的超高频谱效率需求。目前大规模MIMO系统性能的研究主要基于各种理想假设,如理想硬件、高功耗和空间无限等。而在实际大规模MIMO系统中,往往受到硬件损伤、低功耗和空间受限等各种瓶颈因素制约,故现有的相关理论体系尚不完善,对实际大规模MIMO系统性能还缺乏全面准确的认识。针对这一问题,申请人基于高维随机矩阵理论,推导了非理想条件下大规模MIMO系统的频谱效率和能量效率,在保证系统频谱效率的前提下,提出了可大幅降低系统功耗和成本的实用性方法,为实际系统设计与部署提供一种高效的解决思路和技术方案,具体研究成果包括:.(1).揭示了硬件损伤效应对大规模MIMO系统性能的影响,推导了Rician信道下大规模MIMO系统的频谱效率闭合表达式,证明了在直射路径功率较强的环境下,大规模MIMO系统需要采用较可靠的硬件电路,以减少硬件损伤效应带来的频谱效率损失,解决了低功耗大规模MIMO系统中的高谱效与高能效的折中问题。.(2).推导了基于低分辨率ADC的大规模MIMO系统在Rician信道下的频谱效率,揭示了系统频谱效率与ADC分辨率、Rician因子以及天线数之间的关系,证明了当基站天线数趋于无穷时,低分辨率ADC大规模MIMO系统的频谱效率趋近于常数,提出了在中低信噪比条件下低分辨率ADC可以达到较优性能,丰富和完善了实际大规模MIMO理论体系。.相关研究成果发表于高水平IEEE期刊,其中ESI前1%高被引论文4篇,单篇最高谷歌学术引用140次。上述研究成果已获多位国内外知名专家的关注和正面引用。IEEE Fellow、美国德州大学奥斯丁分校的Robert W. Heath教授和 IEEE Fellow、IEEE 通信学会莱斯奖获得者、瑞典林雪平大学Erik G. Larsson 教授等人在其IEEE TWC论文中多处引述申请人的低精度量化大规模MIMO的性能结果,称其是基于低精度量化大规模MIMO性能分析的最新成果。IEEE Fellow、意大利帕多瓦大学教授Michele Zorzi教授在其IEEE TWC论文中引用申请人的成果,并评价申请人的工作表明了低分辨率ADC大规模MIMO系统可以达到非量化系统一样的频谱效率。.
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
On Low-Resolution ADCs in Practical 5G Millimeter-Wave Massive MIMO Systems
实用 5G 毫米波大规模 MIMO 系统中的低分辨率 ADC
DOI:10.1109/mcom.2018.1600731
发表时间:2018-03
期刊:IEEE Communications Magazine
影响因子:11.2
作者:Zhang Jiayi;Dai Linglong;Li Xu;Liu Ying;Hanzo Lajos
通讯作者:Hanzo Lajos
DOI:--
发表时间:2019
期刊:重庆邮电大学学报(自然科学版)
影响因子:--
作者:章嘉懿
通讯作者:章嘉懿
Mixed-ADC/DAC Multipair Massive MIMO Relaying Systems: Performance Analysis and Power Optimization
混合 ADC/DAC 多对大规模 MIMO 中继系统:性能分析和功耗优化
DOI:10.1109/tcomm.2018.2869596
发表时间:2018-09
期刊:IEEE Transactions on Communications
影响因子:8.3
作者:Zhang Jiayi;Dai Linglong;He Ziyan;Ai Bo;Octavia A Dobre
通讯作者:Octavia A Dobre
Physical Layer Security Over Fluctuating Two-Ray Fading Channels
波动两射线衰落通道的物理层安全性
DOI:10.1109/tvt.2018.2842126
发表时间:2018
期刊:IEEE Transactions on Vehicular Technology
影响因子:6.8
作者:Wen Zeng;Jiayi Zhang;Shuaifei Chen;Kostas P Peppas;Bo Ai
通讯作者:Bo Ai
DOI:10.12676/j.cc.2019.04.010
发表时间:2019-04
期刊:China Communications
影响因子:4.1
作者:Zelin Lu;Yunliang Zhang;Jiayi Zhang
通讯作者:Zelin Lu;Yunliang Zhang;Jiayi Zhang
去蜂窝大规模MIMO系统基础理论与关键技术研究
- 批准号:61971027
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:65.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:章嘉懿
- 依托单位:
国内基金
海外基金
