轨道交通车地间毫米波通信技术的上行系统频谱效率分析

在理想CSI 条件下，基站端采用MRC 检测算法处理上行接收信号，即将接收信号乘以。根据式（6.8），可以将MRC 处理后的基站接收信号表示为

将式（6.6）和式（6.9）代入式（6.17）可知，理想CSI 条件下全双工大规模MIMO 系统第n 个上行用户的输出信号 rU，n可以表示为

其中， xU，n和 xD，n分别为xU和xD的第n 个元素， gU，n和 gD，n分别为信道矩阵GU和GD的第n 列元素。此外，式（6.18）右边首项为用户n 的上行传输信号，其余五项可视为用户间干扰信号、回路干扰信号、量化噪声和信道噪声。

由式（6.18）可知，理想CSI 条件下第n 个用户在全双工大规模MIMO系统上行链路的频谱效率可以表示为

定理6.1：在莱斯衰落信道场景下，对于采用低精度ADCs/DACs 架构的多用户全双工大规模MIMO 系统，若基站端采用MRC 检测算法处理信号，则理想CSI 下第n 个用户在全双工大规模MIMO 系统上行链路的频谱效率可以近似为

定理6.1 给出了第n 个用户在全双工大规模MIMO 系统上行链路频谱效率的近似表达式，并对上行频谱效率进行评估。为便于对定理 6.1的全面理解，下面将讨论几个特殊场景下的近似结果。

（1）固定用户发送功率 PU、基站发送功率 PD、基站天线数M 和ADC/DAC 精度不变，当莱斯因子KU，n→∞时，式（6.20）的上行链路频谱效率有以下限制：

（3）固定用户发送功率 PU、基站发送功率 PD和基站天线数M 不变，当ADC/DAC 为理想硬件时，即 αu=αd= 1，式（6.20）的上行链路频谱效率可简化为

由式（6.23）可知，如果仅考虑上行链路并且忽略回路干扰，则可以发现式（6.23）与文献[117]中式（40）的半双工模式结果一致。

（4）固定ADC/DAC 精度和基站天线数M 不变，当 PD=ΥPU→∞，其中系数Υ 为一个确定常数，则式（6.20）的上行链路频谱效率可以简化为(www.xing528.com)

由式（6.24）可知，全双工大规模MIMO 上行系统的频谱效率接近于恒定值，而不会随着 PU和 PD的增加而无限增大。

（5）当 PU=EU/M和 PD=ED/M且EU和ED固定时，基站天线数M →∞，此时发送功率与天线数成反比，则式（6.20）的上行链路频谱效率可以简化为

假设 = 1的情况下，式（6.25）与文献[124]中式（17）的结果一致。由式（6.25）可知，提高ADC 量化精度可以有效地改善上行链路频谱效率。此外，使用大规模的基站天线和相对较低的发送功率，可以有效地消除ADC 的量化噪声和全双工回路干扰。

同理，在非理想CSI 条件下，对于基站端上行接收信号，仍采用MRC检测算法处理。由式（6.4）和式（6.8）知，可以将MRC 处理后的基站接收信号矢量表示为

将式（6.6）和式（6.9）代入式（6.26）可知，非理想CSI 条件下第n 个用户在全双工系统上行链路的输出信号 rˆU，n可以表示为

其中，和分别为信道矩阵 和 的第n 列元素。式（6.27）右边首项为用户n 的上行传输信号，其余六项可视为用户干扰、信道估计误差、量化噪声、回路干扰和信道噪声。

由式（6.27）可知，非理想 CSI 条件下第n 个用户在全双工大规模MIMO 系统上行链路的频谱效率可以表示为

定理6.2：在莱斯衰落信道场景下，对于采用低精度ADCs/DACs 架构的多用户全双工大规模MIMO 系统，若基站端采用MRC 检测算法处理信号，则非理想CSI 下第n 个用户在全双工大规模MIMO 系统上行链路的频谱效率可以近似为