【无线通信】面向多天线用户的网络辅助全双工无蜂窝大规模MIMO研究

导读：

基于网络辅助全双工技术无蜂窝大规模多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)系统是目前无线通信领域的关键技术之一。然而，现有的研究都假设采用完美硬件配置的单天线用户设备发送和接收信号，这种架构限制了系统整体性能的进一步提升。鉴于此，本文针对网络辅助全双工无蜂窝大规模MIMO环境中的多天线用户通信展开研究。利用现有的加性量化噪声模型，推导了低精度模数转换器(analog-to-digital converters, ADCs)下上行和下行频谱效率(spectral efficiency, SE)的封闭表达式下界；基于不同规模的远端接入单元配置验证了理论结果的准确性；进一步利用MATLAB分别评估了用户天线数目以及ADC量化精度等参数对系统性能的影响。仿真结果表明，在网络辅助双工模式中引入多天线用户显著提升了系统的吞吐量和可达速率，这一性能增益与半双工结构具有一致性。

正文

本文以网络辅助全双工技术下无蜂窝大规模MIMO多天线用户通信为研究对象。在用户侧和远端接入单元同时设置低量化精度的ADC的背景下，推导了用户上行和下行传输信道容量和频谱利用率的闭合表达式下界并基于蒙特卡洛模拟对理论分析的准确性进行了检验。借助这些表达式有效分析了ADC量化位数和远端接入单元密集程度等参数对系统性能的影响，探究了多天线用户在网络辅助全双工无蜂窝大规模MIMO系统中的可行性。最后，仿真结果证实，适当增加网络辅助全双工模式下的用户天线数目有效提升了系统的可达速率和频谱效率。

本文以网络辅助全双工无蜂窝大规模MIMO系统架构为基础，其中M (L)个上行(下行)远端接入单元通过完美的回程链路与中央处理单元相连交互数据，在同一时频资源内为K个上行用户和U个下行用户提供高质量的服务，如图1所示。

考虑到实际场景中设备部署的随机性，图中的每条仿真曲线都是平均超过10,000个远端接入单元-用户位置生成。除特别说明外，参数默认取值见表2。

当上行用户和下行用户数均为40，总频谱效率随远端接入单元数目的变化图如图2所示。从图中能够看出，无论是上行链路还是下行链路，解析解与蒙特卡络模拟值拟合程度均符合预期，证实了定理1和定理2的准确性；对于蒙特卡洛模拟值，它总是略高于理论分析值，进一步表明通过Uatf准则推导出的闭合表达式是一个严格的下界。值得注意的是，尽管上行/下行总频谱效率与远端接入单元数目有着明显的正相关性，但是上行频谱效率的增幅远小于下行并有收敛的趋势。究其根源在于式(30)中上行交叉链路干扰直接随着远端接入单元M和L增加而成倍增涨，特别是在γIT=1γIT=1 的假设下，成为了影响用户上行容量的最重要因素，而用户间的交叉干扰则不受其影响。综上所述，在智能车站等设备集中运行的环境中，必须对RAU间交叉链路干扰做出合理的控制，从而最大化整体的系统性能。

本文基于远端接入单元与下行用户同时配备低精度模数转换器的系统假设，对面向多天线用户的网络辅助全双工无蜂窝大规模MIMO系统进行了全面性能分析。针对实际通信场景中不可避免的信道估计误差，本研究首先建立了不完美信道状态信息下的理论分析框架，严格推导了上行与下行链路可达速率的闭合表达式下界，并进一步量化评估了系统的整体频谱效率。在此基础上，通过参数化建模与数值仿真，深入探讨了RAU部署的密集程度、用户端天线数目以及ADC量化精度等关键因素对系统性能的影响。

结论

仿真结果表明，尽管用户端采用多天线结构会引入额外的交叉链路干扰，但总体而言，在基于网络辅助全双工技术的无蜂窝大规模MIMO架构中，通过合理增加用户天线数量仍能实现系统性能的显著提升。除此之外，研究还揭示了当远程接入单元采用5~6 bit ADC以平衡运行成本与性能时，为实现最优频谱效率，下行用户设备中ADC的量化位数需略高于远端接入单元，最佳工作点集中在6~7 bit范围内，这一发现为未来系统中ADC精度的协同优化提供了重要参考。

基金项目

国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目：U24B20187

更多推导过程请点击原文链接：https://doi.org/10.12677/hjwc.2025.153008