張逸凡　陳顯哲　彭張節(jié)

摘? 要： 通過解碼轉發(fā)（DF）協(xié)議中繼，研究了在非完美信道狀態(tài)信息（CSI）下，多用戶對雙向全雙工通信系統(tǒng)的性能.通過配備大量天線，可以大大增加通信系統(tǒng)的頻譜效率（SE）.對到達中繼端的信號采用迫零（ZF）線性接收處理并預編碼，推導了SE的近似表達式，提出了與天線數量相關的功率縮放定律，討論了在導頻功率固定和變化條件下縮放因子的取值.所提的功率縮放定律可以在保持穩(wěn)定的頻譜效率的同時，將發(fā)射功率降低.研究了在非完美信道狀態(tài)信息下，經過解碼轉發(fā)協(xié)議中繼的多用戶對雙向全雙工通信系統(tǒng)的性能.

關鍵詞： 大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）; 雙向全雙工; 解碼轉發(fā)（DF）協(xié)議; 中繼; 多用戶對; 非完美信道狀態(tài)信息（CSI）; 頻譜效率（SE）

中圖分類號： TN 911.7??? 文獻標志碼： A??? 文章編號： 1000-5137（2022）02-0149-08

ZHANG Yifan， CHEN Xianzhe， PENG Zhangjie

（College of Information， Mechanical and Electrical Engineering， Shanghai Normal University， Shanghai 201418， China）

In this paper， the performance of multi-user pair two-way full-duplex decode-and-forward systems through decoding and forwarding （DF） protocol relaying with imperfect channel state information（CSI） was studied. By configuring massive antennas， spectral efficiency （SE） could be enhanced greatly. Zero-forcing （ZF） was used to receive and precode the signal reaching the relay， and the closed-form expressions for SE were derived. Meanwhile， a power scaling law related to the number of antennas was proposed， and the value range of scaling factor under the condition of fixed and variable pilot power was discussed. Spectral efficiency was maintained stable and the transmission power was reduced by the proposed scaling law. The simulation results showed that SE was improved significantly with the increase of antenna number， which certified the improvement of SE by massive multiple input multiple output （MIMO） system.

massive multiple input multiple output （MIMO）; full-duplex two-way; decoding and forwarding （DF） protocol; relay; multi-user pair; imperfect channel state information （CSI）; spectral efficiency （SE）

0? 引言

大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術是5G通信的核心技術，通過配備大量的天線充分提高空間增益以及改善通信效率.為了擴大通信面，提高系統(tǒng)容量及通信可靠性，無線中繼技術被引入到通信系統(tǒng)中.SHARMA等采用兩種線性處理方法研究了多用戶對雙向全雙工放大轉發(fā)（AF）中繼通信系統(tǒng)的頻譜效率（SE）.NGO等采用解碼轉發(fā)（DF）協(xié)議的單向全雙工中繼通信.KONG等研究了采用最大比傳輸/合并（MRT/C）的多用戶對雙向半雙工DF中繼通信下的最大SE. QIAN等采用了迫零（ZF）處理方式對多用戶對雙向半雙工DF中繼系統(tǒng)進行研究.

本文作者將大規(guī)模MIMO技術與無線中繼技術相結合，考慮多用戶對通信的場景，采用雙向全雙工DF中繼，推導譜效率表達式，并基于推導的SE表達式，研究了天線數量、用戶功率和SE之間的關系.此外，分析了一種功率縮放定律，使發(fā)射功率降低的同時可以保持SE的穩(wěn)定.最后，仿真結果證明了所推導公式的正確性，驗證了大規(guī)模MIMO可以提高通信質量.

1? 系統(tǒng)模型

大規(guī)模MIMO DF中繼多用戶對全雙工通信系統(tǒng)如圖1所示.

信道建模與估計

信號處理

用戶端

2? 譜效率分析

處理下的譜效率分析

仿真結果及分析

3? 功率縮放

4? 結 論

本文作者對多用戶對在大規(guī)模MIMO技術下，通過DF協(xié)議中繼進行雙向全雙工通信進行了研究，證明大規(guī)模MIMO技術可以提升通信系統(tǒng)的SE，并推導了采用ZF方式時，SE閉合表達式，通過仿真分析證明了該表達式的準確性.另外，提出了一種與天線數量相關的功率縮放方法，可以在有效降低發(fā)射功率的同時，保持SE穩(wěn)定.

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（責任編輯：包震宇，馮珍珍）