FDD大规模MIMO系统中基于用户分组的传输方案性能研究

发布时间：2020-04-11 22:43

【摘要】：当前,第五代移动通信技术(5G)正处于标准更新和产业配置的重要阶段,它将以全新的网络架构与关键技术为我们开启万物互联时代。联合空分复用传输方案(Joint Spatial Division and Multiplexing,JSDM)可以显著降低发送端信道状态信息(Chanel State Information at Transmitter,CSIT)的反馈开销,这将对5G核心技术之一的大规模MIMO(Massive multiple-input multiple-output,Massive MIMO)在FDD模式下的实现具有重大现实意义。因此,本文深入研究了JSDM传输方案中的两级预编码设计,用户调度策略以及用户分组关键技术的具体实现方案。首先,针对JSDM系统中贪婪类用户调度方法复杂度较高的问题,提出一种基于信道空间相关性改进的联合调度策略:根据用户信道向量间的正交性,选择正交性最优的部分用户作为先调度用户,紧接着利用贪婪调度以最大化系统和速率为目标完成其他候选用户的调度。仿真结果表明,改进策略在较低的计算复杂度下性能也能够逼近贪婪用户调度策略。然后,针对两级预编码采用传统线性预编码方法后出现的“能量惩罚”性能受限问题,引入向量扰动(Vector Perturbation,VP)策略改进的正则化迫零(Regular Zero Forcing,RZF)预编码VP-RZF,提出一种基于K-best树改进的ML-K-best树扰动向量搜索算法,进一步解决了扰动向量球形编码搜索算法复杂度高的问题。该方法不再需要在尺层全空间范围内进行穷举搜索,仅在前N层进行穷举搜索,接下来的每一层搜索完成后仅保留部分分支度量值最小的路径继续往下一层搜索,保证扰动向量的搜索准确性的同时有效降低球形编码算法复杂度。仿真结果表明,基于VP-RZF预编码算法改进的JSDM系统和速率得到进一步提升。最后,针对JSDM方案中的K-means分组存在预设分组数目,随机选取初始分组中心的问题提出一种基于密度思想改进的DP-K-means分组算法:首先根据用户的分布密度将用户分为核心用户、边缘用户及孤立用户。核心用户可以密度可达与密度相连构成G个核心用户组,然后计算G个核心用户组的中心作为K-means算法的初始分组中心。改进算法具有三大优点:第一选取更具有代表性的初始分组中心,能够加速收敛的同时避免陷入局部最优解。第二可以根据用户分布的几何集群自适应地确定最佳分组数目,不再固定预设。第三避免了单纯利用密度聚类分组时,因组间用户数差异过大引起的组间干扰加重问题。仿真结果表明,改进方案仅需要三次迭代就可以完成分组,并且分组效果更好,同时极大地提升了系统和速率。
【图文】：

波形,发展史,移动通信系统,关键技术

１９８０ｓ逦１９９０ｓ逦２０００ｓ逦２０１０ｓ逦２０２０ｓ逡逑图１．１移动通信系统发展史逡逑图１．１展示了从１Ｇ到５Ｇ发展过程中，关键技术、传输速率和典型通信技逡逑术的革新史。未来５Ｇ将大规模应用在车联网、无人机、智能制造、智慧能源、逡逑智慧医疗、智慧城市等但为了实现这些技术，，５Ｇ需要更高的创新与新技术。逡逑当前５Ｇ的核心技术有：逡逑１）逦ＮＲ新空口技术ＰＩ逡逑ＮＲ空口协议层的总体设计基于ＬＴＥ进行了大幅度的增强优化。重新设计逡逑ＲＲＣ层，利于节能降耗的同时进一步降低控制面的时延。在ＭＡＣ层，ＮＲ优化逡逑参考信号设计，采用新的波形与帧结构参数，降低开销的同时可以更适应场景需逡逑求的差异。逡逑２）

系统模型图,系统模型,信道容量,香农定理

谱资源和发射功率，就能够成倍提升系统的信道容量。由于Ｍａｓｓｉｖｅ邋Ｍ丨ＭＯ是由逡逑ＭＩＭＯ发展得来，下面首先介绍Ｍ１ＭＯ系统模型与系统容量。逡逑Ｍ丨ＭＯ系统模型在发射端与接收端配置多根天线，如图２．１所示。逡逑：—丨逦；一丨逦；…－丨丫逡逑发丨＼’丫接丨ｉ发丨：丫接丨逡逑射＾逦邋逦收逦：射：、，逦逦收逡逑端；逦：端丨逦丨端丨：端｜逡逑（ａ）邋ＳＩＳＯ逦ｉｂ）邋ＭＩＳＯ逡逑；－－－－－－－－－：逦丫邋；－－－－－－－－－；逦「－－－－－丨丫逡逑：发丨＼’逦：］妾丨逦：发ｉ邋：逦．邋■接ｉ逡逑射逦１逦收：逦射丨、／邋、逦收逡逑端丨逦端：逦．端：＼／逦端逡逑（ｃ）邋ＳＩＭＯ逦（0０邋ＭＩＭＯ逡逑图２．１邋ＭＩＭＯ系统模型逡逑对于ＭＩＭＯ系统的信道容量，可以利用经典的香农定理计算得到：逡逑Ｋ逡逑
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN919.3

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