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高速铁路车地间多跳协作通信系统性能分析

【摘要】:衡量协作通信系统性能的指标有很多,如中断概率、误码率、频谱效率、能量效率等。由于有无中继的分析方法类似,因此这里以图2.5所示的大规模MIMO下行链路为例,对几个常用的性能指标进行详细分析。图2.5所示系统中的基站天线数为M,用户数为K,基站与用户之间的信道响应为G∈CK×M。于是,用户接收到的信号为图2.5大规模MIMO系统模型其中,PS为基站的发射功率;nU∈CK×1为用户处均值为零、方差为N0的加性高斯白噪声。

衡量协作通信系统性能的指标有很多,如中断概率、误码率、频谱效率、能量效率等。由于有无中继的分析方法类似,因此这里以图2.5所示的大规模MIMO下行链路为例,对几个常用的性能指标进行详细分析。

图2.5所示系统中的基站天线数为M,用户数为K,基站与用户之间的信道响应为G∈CK×M。设原始信号为s∈CK×1,传输之前需要经过预编码矩阵A∈CM×K进行编码。于是,用户接收到的信号为

图2.5 大规模MIMO系统模型

其中,PS为基站的发射功率;nU∈CK×1为用户处均值为零、方差为N0的加性高斯白噪声。根据式(2.31),第k个用户接收到的信号为

其中,gk是G的第k行,ak是A的第k列,sk、nU,k分别是s、nU的第k个元素。于是,系统所获得的总频谱效率可以表示为

假设系统的门限速率值为th,则系统中断概率的表达式为

能量效率与带宽、频谱效率和功耗有关,根据定义,能量效率的表达式为

式(2.35)中,PTotal为系统在处理信号时射频链产生的总功耗。如图2.6所示,PTotal主要由数模转换器DAC、自动增益控制、有源滤波器、混频器和频率合成器的功耗值组成,即PDAC、PAGC、Pfilt、Pmix、Psyn[155]。根据文献[151]、[74],PTotal的表达式为

图2.6 发射天线电路模块(模拟)

式中,c的值与DAC量化位数有关,当量化位数为1时,c=0;当量化位数大于1时,c=1。