大规模MIMO系统的上行导频优化研究

发布时间：2020-03-21 23:46

【摘要】：近年来,随着智能终端的迅速普及,移动数据流量呈现爆发式增长。在大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统中,基站端部署的天线数目要远远大于系统内的活跃用户数目。利用这些额外的天线,大规模MIMO技术可以在提高通信系统频谱效率10倍以上的同时提高其能量效率1 00倍以上。另外它还可以有效降低空中接口时延、简化多址接入层设计、缩减硬件成本和提高系统鲁棒性。目前大规模MIMO技术已经成为第五代移动通信系统(5th Generation Mobile Communication System,5G)的研究热点之一。在大规模MIMO系统中,准确的上下行链路信道状态信息(Channel State Information,CSI)对于实现高质量的通信至关重要。但是由于相干时间长度有限,正交导频序列的数目往往要小于系统内的活跃用户数目。在这种情况下,正交导频分配方案不能够执行。当系统内不同的用户复用同一个导频序列时就会出现导频污染现象。在导频污染的影响下,基站端无法获得准确的上下行链路CSI。有研究表明即使基站端部署的天线数目趋近于无穷,导频污染问题依然存在并且成为限制大规模MIMO系统性能的主要因素之一。本文研究大规模MIMO系统的上行导频优化问题,主要的贡献和创新点如下:第一,本文讨论空间独立信道下单小区大规模MIMO系统的上行导频优化问题。当采用非正交导频序列时,分别推导最小二乘(Least Squares,LS)和最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)估计下信道估计误差和系统容量的表达式。为了优化信道估计误差性能,分析导频长度充足和导频长度不足两种情况下的导频信号重建方案。当导频长度充足时,重建的导频序列可以满足相互正交条件。而当导频长度不足时,提出一种基于Orthogonal Procrustes Principle(OPP)的方法使得重建的导频序列之间的相关性尽可能小。为了提高小区边缘用户的服务质量(Quality of Service,QoS),提出一种考虑导频质量的导频序列分配方案,即尽量避免质量较差的导频序列被分配给大尺度衰落系数较小的用户。为了优化系统容量性能,提出一种递进式的导频发送功率分配方案。最后,仿真结果分别验证所提方案的有效性。第二,本文讨论空间相关信道下单小区大规模MIMO系统的上行导频优化问题。当基站端天线数目趋近于无穷时,通过大尺度衰落系数和信道到达角(Angle of Arrival,AOA)信息来构建两个用户信道响应向量之间的空间相关性。当不同用户的信道AOA范围满足非重叠条件时,对应的信道响应向量可以被认为是相互正交的。在这种情况下,推导系统容量的表达式。为了优化系统容量性能,提出一种基于信道AOA信息的低复杂度导频序列分配方案。一方面,正交导频序列应该分配给信道AOA相似度较高的用户。另一方面,正交导频序列应该分配给信道AOA范围跨度较大的用户。通过这种方式,导频复用造成的小区内干扰可以被尽可能减小。最后仿真结果表明,当基站端天线数目有限时所提导频序列分配方案可以有效提高系统性能。第三,本文讨论空间相关信道下多小区大规模MIMO系统的上行导频优化问题。和单小区场景相比,多小区场景中的导频污染问题往往更加严重。当正交导频序列的数目小于每个小区内的活跃用户数目时,推导系统容量的表达式。为了缓解小区内干扰,提出一种自下而上的用户分组方案,其主要思想是逐渐合并拥有最大信道AOA相似度的用户。当所有小区都执行完用户分组算法后,提出一种组匹配算法将系统内的用户组划分为不同的集合。然后提出一种基于图着色的导频序列分配方案来缓解小区间干扰。一方面,保证每个用户组内不复用同一个导频序列。另一方面,只有当不同组内用户之间的潜在干扰足够小时才可以使用相同的导频序列。最后仿真结果表明,当基站端天线数目有限时所提方案可以有效提高系统性能与复杂度之间的权衡。
【图文】：

示意图,技术,示意图

其中无线技术方面主要包括：逡逑第一，大规模ＭＩＭＯ技术：与单发送单接收系统相比，传统ＭＩＭＯ技术已逡逑经可以大幅度提高无线通信系统性能［１＿１２］。如图１－１所示，大规模ＭＩＭＯ技术指逡逑的是在基站端配置大规模的天线阵列（通常是成百上千根天线），利用多用户波逡逑束赋形原理来同时服务数量相对较少的终端用户，，该技术于２０１０年由美国贝尔逡逑实验室提出［１—１３］。大规模ＭＩＭＯ技术对系统空间资源的利用更加充分，并且可以逡逑在水平和垂直两个维度上动态调整发射信号，从而有效减小干扰，提高无线通信逡逑系统的频谱效率和能量效率。自提出之日起，该技术就受到了国内外产学研各方逡逑面的高度关注。逡逑＾逦终端１逡逑终端３逡逑图１－１大规模ＭＩＭＯ技术示意图逡逑第二，超密集组网技术（ＵｌｔｒａＤｅｎｓｅＮｅｔｗｏｒｋ，邋ＵＤＮ）：邋２Ｇ时代只需要部署逡逑几万个基站就可以实现全国范围内的无线网络覆盖，而５Ｇ的连接密度却高达１逡逑百万／ｋｍ２。事实上从１Ｇ到４Ｇ是一个小区半径不断减小并且小区密度不断增加逡逑５逡逑

技术优势,多用户,技术

用多用户检测分离技术解调信号，从而达到提高无线通信系统容量的目的。后者逡逑指的是将一个相同的数据流在不同的ＭＩＭＯ子信道上进行多次传输，并且在接逡逑收端采用分集合并技术对信号进行处理，从而达到抵抗信道衰落、提高无线通信逡逑系统可靠性的目的。多用户ＭＩＭＯ技术以点对点ＭＩＭＯ技术为基础，指的是配逡逑置有多根天线的基站和多个用户之间进行的通信［１＿２４］。其中用户端既可以配置单逡逑根天线也可以配置多根天线。由于多用户ＭＩＭＯ系统中用户间距离一般较大，逡逑因此其可以充分发挥ＭＩＭＯ技术的空间复用优势，有效解决点对点ＭＩＭＯ系统逡逑中视距传播性能不佳的问题。大规模ＭＩＭＯ技术以多用户ＭＩＭＯ技术为基础，逡逑于２０１０年由美国贝尔实验室的Ｔｈｏｍａｓ邋Ｌ．邋Ｍａｒｚｅｔｔａ等研宄人员提出，指的是配逡逑置有大规模天线阵列（通常是成百上千根天线）的基站和多个配置有单根天线的逡逑用户之间进行的通信［１“３］。逡逑１．３．２技术优势逡逑与多用户ＭＩＭＯ技术相比，大规模ＭＩＭＯ技术不仅仅是对基站端天线规模逡逑进行简单的扩大，它在许多方面都具有传统ＭＩＭＯ技术无法比拟的优势。如图逡逑１＿２所示，其技术优势主要表现在以下几个方面：逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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