大规模天线系统中MRC的解码方法及性能分析

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多输入多输出(MIMO)技术是一种高效的无线传输技术,它能够带来频谱效率的提高和系统性能的改善,在学术界和工业界都得到了广泛的关注和研究。但是由于无线信道的复杂性,还有一些未知的十扰因素,严重妨碍了信号的正常接收,所以如何在接收端对信号进行正确解码对系统的性能起着至关重要的作用。最大似然(ML)解码是一种最优解码方法,它有着最小错误概率,但是其解码复杂度很高,特别是在基站天线数目庞大的大规模天线(Massive MIMO)系统中。迫零(ZF)解码和最小均方误差(MMSE)有着较低的解码复杂度,求解时只需求信道矩阵的逆矩阵。在大规模天线系统中,我们寻求解码复杂度更低的解码器,因此最大比合并(MRC)解码就引起人们的关注。本论文针对的是单小区MIMO上行系统。假定小区内存在一个装备有M根天线的基站和K个不同的用户,每个用户均仅有一根天线,并且假设信道是慢平坦衰落的,而且基站已知信道状态信息。论文比较了ML、ZF、MMSE解码法的性能特点,得到了ML解码法的性能最好,而MMSE解码法的性能要优于ZF解码法,但是它们的性能都随着基站天线数量的不断增加而得到明显的改善。在欧式空间和球体的背景知识下,论文证明了儿个重要的定理公式,得到了高维度空间中向量与向量以及向量与空间之间的夹角分布公式,这对于大规模天线系统的性能分析求解有着非常重要的作用。对于上述系统模型,本论文重点讨论了对接收端采用MRC解码法的性能分析。首先给出了MRC解码器的解码方法,接着推导了系统的成对错误概率(PEP)公式,针对两种不同的情况推导出PEP的渐近趋势。分析表明:1)当天线数目固定时,随着信噪比的不断增加并且逐渐趋于无穷大所得到的PEP不为零,会出现错误平台(error floor); 2)当信噪比固定时,随着天线数目的不断增加并且逐渐趋于无穷大时PEP降为零。最后,讨论了能量尺度律(power scale law),假设基站所接收到的信噪比分配的比例为M-α,在天线数目趋于无穷大时。得到结论是当且.仅当0<α<1时,MRC解码法得到的PEP才会趋于零;当α=1时,天线数目无穷大时PEP也不会趋于零,即存在错误平台。这个结论纠正了已有文章中的结果。数值仿真证实了上述结论的正确性。
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