大规模MIMO多小区TDD系统的导频污染和能效研究

发布时间：2017-09-02 06:37

  本文关键词：大规模MIMO多小区TDD系统的导频污染和能效研究

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【摘要】：随着5G蜂窝网络的快速发展,大规模MIMO系统因其大容量和高能效特性被广泛研究。基站处的大规模天线阵列使得系统容量成倍增长,但由于不同小区对同一导频序列的复用而引起的小区间干扰(导频污染)却愈加严重,成为系统的性能瓶颈。解决这一问题的方法之一是运用有效的导频调度方案。而能效(EE)作为5G网络建设中的关键衡量指标,也是大规模MIMO系统不得不考虑的因素,其性能的优劣影响着实际系统的综合表现。本文的选题来源于导师承担的国家自然科学基金项目。本文以多用户大规模MIMO多小区时分双工(TDD)系统为模型,首先研究了系统的通信策略,分析了在上行导频训练时由于采用了非正交导频序列而产生的导频污染问题,并针对此问题阐述了一种基于最大化下行可达和速率的导频调度方法。仿真验证了导频污染对系统性能的危害以及导频调度对和速率性能的提升。本文从单小区多用户MIMO系统出发对能效进行了分析,首先阐述了电路功率消耗模型,该模型描述了电路功耗与用户数、天线数等的关系。在此模型下分别探讨了发射功率、基站天线数、小区用户数对下行能效的影响并分别给出三者的最优闭式表达。最后研究了三个影响因子的联合最优算法,仿真结果表明在适中的用户数和天线数条件下可获得最优能效。为了进一步研究导频污染和能效问题,本文考虑了大规模MIMO多小区TDD系统,在处理导频污染问题前首先对能效进行最大化。文中探讨了三种线性预编码下的能效模型并分别给出相应的能效表达式。进而在能效最优的系统中,研究了基于最大化最小信干噪比的导频调度策略,该策略对系统误比特率(BER)性能有很好的提升效果。接着,结合小区的均等特性和模拟退火(SA)算法对调度策略进行了优化。仿真分析可知,能效最大化的天线数随用户数的增加而增加。与直接进行导频调度的系统相比,本文在导频调度前先进行了能效最优处理,此举以较少的性能损失换来较大的能效提升和计算量的减轻。
【关键词】：大规模MIMO 导频污染 能效 预编码 时分双工
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN919.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 专用术语注释表9-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 MIMO技术的发展历程11-13
• 1.2.1 单用户MIMO技术11-12
• 1.2.2 多用户MIMO技术12
• 1.2.3 大规模MIMO技术12-13
• 1.3 导频污染和能效问题的研究现状13-17
• 1.3.1 导频污染解决方案13-14
• 1.3.2 高能效系统研究现状14-17
• 1.4 本文的主要内容与结构安排17-19
• 第二章 大规模MIMO基础理论介绍19-29
• 2.1 系统模型19-20
• 2.2 信道估计算法20-21
• 2.3 下行链路数据传输21-22
• 2.4 预编码算法22-26
• 2.4.1 MRC预编码23-24
• 2.4.2 ZF预编码24-25
• 2.4.3 MMSE预编码25-26
• 2.5 系统服务的最大用户数26-27
• 2.6 能效分析27-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第三章 大规模MIMO系统的导频调度分析29-38
• 3.1 系统通信方案29-31
• 3.1.1 上行导频训练29-30
• 3.1.2 下行数据传输30-31
• 3.2 导频污染问题分析31-33
• 3.3 基于最大下行可达和速率的导频调度33-34
• 3.4 仿真与分析34-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 大规模MIMO系统的能效分析38-49
• 4.1 系统模型38-39
• 4.2 下行功率消耗模型39-40
• 4.3 最优能效分析40-43
• 4.3.1 最优天线数41
• 4.3.2 最优发射功率41-42
• 4.3.3 最优用户数42-43
• 4.3.4 天线数、发射功率、用户数联合最优43
• 4.4 仿真与分析43-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 能效最优的多小区大规模MIMO系统的导频调度49-62
• 5.1 系统模型49-51
• 5.2 下行链路能效分析51-54
• 5.2.1 MRC预编码下的能效51-52
• 5.2.2 ZF预编码下的能效52-53
• 5.2.3 MMSE预编码下的能效53-54
• 5.3 能效最大化系统中的导频调度54-55
• 5.4 方案优化55-57
• 5.4.1 基于小区均等性的优化55-56
• 5.4.2 模拟退火（SA）算法优化56-57
• 5.5 仿真与分析57-61
• 5.6 本章小结61-62
• 第六章 总结与展望62-64
• 6.1 本文工作总结62-63
• 6.2 未来研究展望63-64
• 参考文献64-67
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文67-68
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利68-69
• 附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目69-70
• 致谢70

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