【摘要】：近年來(lái),隨著智能終端的迅速普及,移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。在大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系統(tǒng)中,基站端部署的天線數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)的活躍用戶數(shù)目。利用這些額外的天線,大規(guī)模MIMO技術(shù)可以在提高通信系統(tǒng)頻譜效率10倍以上的同時(shí)提高其能量效率1 00倍以上。另外它還可以有效降低空中接口時(shí)延、簡(jiǎn)化多址接入層設(shè)計(jì)、縮減硬件成本和提高系統(tǒng)魯棒性。目前大規(guī)模MIMO技術(shù)已經(jīng)成為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5th Generation Mobile Communication System,5G)的研究熱點(diǎn)之一。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,準(zhǔn)確的上下行鏈路信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的通信至關(guān)重要。但是由于相干時(shí)間長(zhǎng)度有限,正交導(dǎo)頻序列的數(shù)目往往要小于系統(tǒng)內(nèi)的活躍用戶數(shù)目。在這種情況下,正交導(dǎo)頻分配方案不能夠執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)不同的用戶復(fù)用同一個(gè)導(dǎo)頻序列時(shí)就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)頻污染現(xiàn)象。在導(dǎo)頻污染的影響下,基站端無(wú)法獲得準(zhǔn)確的上下行鏈路CSI。有研究表明即使基站端部署的天線數(shù)目趨近于無(wú)窮,導(dǎo)頻污染問(wèn)題依然存在并且成為限制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的主要因素之一。本文研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行導(dǎo)頻優(yōu)化問(wèn)題,主要的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下:第一,本文討論空間獨(dú)立信道下單小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行導(dǎo)頻優(yōu)化問(wèn)題。當(dāng)采用非正交導(dǎo)頻序列時(shí),分別推導(dǎo)最小二乘(Least Squares,LS)和最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)估計(jì)下信道估計(jì)誤差和系統(tǒng)容量的表達(dá)式。為了優(yōu)化信道估計(jì)誤差性能,分析導(dǎo)頻長(zhǎng)度充足和導(dǎo)頻長(zhǎng)度不足兩種情況下的導(dǎo)頻信號(hào)重建方案。當(dāng)導(dǎo)頻長(zhǎng)度充足時(shí),重建的導(dǎo)頻序列可以滿足相互正交條件。而當(dāng)導(dǎo)頻長(zhǎng)度不足時(shí),提出一種基于Orthogonal Procrustes Principle(OPP)的方法使得重建的導(dǎo)頻序列之間的相關(guān)性盡可能小。為了提高小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS),提出一種考慮導(dǎo)頻質(zhì)量的導(dǎo)頻序列分配方案,即盡量避免質(zhì)量較差的導(dǎo)頻序列被分配給大尺度衰落系數(shù)較小的用戶。為了優(yōu)化系統(tǒng)容量性能,提出一種遞進(jìn)式的導(dǎo)頻發(fā)送功率分配方案。最后,仿真結(jié)果分別驗(yàn)證所提方案的有效性。第二,本文討論空間相關(guān)信道下單小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行導(dǎo)頻優(yōu)化問(wèn)題。當(dāng)基站端天線數(shù)目趨近于無(wú)窮時(shí),通過(guò)大尺度衰落系數(shù)和信道到達(dá)角(Angle of Arrival,AOA)信息來(lái)構(gòu)建兩個(gè)用戶信道響應(yīng)向量之間的空間相關(guān)性。當(dāng)不同用戶的信道AOA范圍滿足非重疊條件時(shí),對(duì)應(yīng)的信道響應(yīng)向量可以被認(rèn)為是相互正交的。在這種情況下,推導(dǎo)系統(tǒng)容量的表達(dá)式。為了優(yōu)化系統(tǒng)容量性能,提出一種基于信道AOA信息的低復(fù)雜度導(dǎo)頻序列分配方案。一方面,正交導(dǎo)頻序列應(yīng)該分配給信道AOA相似度較高的用戶。另一方面,正交導(dǎo)頻序列應(yīng)該分配給信道AOA范圍跨度較大的用戶。通過(guò)這種方式,導(dǎo)頻復(fù)用造成的小區(qū)內(nèi)干擾可以被盡可能減小。最后仿真結(jié)果表明,當(dāng)基站端天線數(shù)目有限時(shí)所提導(dǎo)頻序列分配方案可以有效提高系統(tǒng)性能。第三,本文討論空間相關(guān)信道下多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行導(dǎo)頻優(yōu)化問(wèn)題。和單小區(qū)場(chǎng)景相比,多小區(qū)場(chǎng)景中的導(dǎo)頻污染問(wèn)題往往更加嚴(yán)重。當(dāng)正交導(dǎo)頻序列的數(shù)目小于每個(gè)小區(qū)內(nèi)的活躍用戶數(shù)目時(shí),推導(dǎo)系統(tǒng)容量的表達(dá)式。為了緩解小區(qū)內(nèi)干擾,提出一種自下而上的用戶分組方案,其主要思想是逐漸合并擁有最大信道AOA相似度的用戶。當(dāng)所有小區(qū)都執(zhí)行完用戶分組算法后,提出一種組匹配算法將系統(tǒng)內(nèi)的用戶組劃分為不同的集合。然后提出一種基于圖著色的導(dǎo)頻序列分配方案來(lái)緩解小區(qū)間干擾。一方面,保證每個(gè)用戶組內(nèi)不復(fù)用同一個(gè)導(dǎo)頻序列。另一方面,只有當(dāng)不同組內(nèi)用戶之間的潛在干擾足夠小時(shí)才可以使用相同的導(dǎo)頻序列。最后仿真結(jié)果表明,當(dāng)基站端天線數(shù)目有限時(shí)所提方案可以有效提高系統(tǒng)性能與復(fù)雜度之間的權(quán)衡。
【圖文】：

其中無(wú)線技術(shù)方面主要包括：逡逑第一，大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)：與單發(fā)送單接收系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)ＭＩＭＯ技術(shù)已逡逑經(jīng)可以大幅度提高無(wú)線通信系統(tǒng)性能［１＿１２］。如圖１－１所示，大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)指逡逑的是在基站端配置大規(guī)模的天線陣列（通常是成百上千根天線），利用多用戶波逡逑束賦形原理來(lái)同時(shí)服務(wù)數(shù)量相對(duì)較少的終端用戶，，該技術(shù)于２０１０年由美國(guó)貝爾逡逑實(shí)驗(yàn)室提出［１—１３］。大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)對(duì)系統(tǒng)空間資源的利用更加充分，并且可以逡逑在水平和垂直兩個(gè)維度上動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射信號(hào)，從而有效減小干擾，提高無(wú)線通信逡逑系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。自提出之日起，該技術(shù)就受到了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研各方逡逑面的高度關(guān)注。逡逑＾邐終端１逡逑終端３逡逑圖１－１大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)示意圖逡逑第二，超密集組網(wǎng)技術(shù)（ＵｌｔｒａＤｅｎｓｅＮｅｔｗｏｒｋ，邋ＵＤＮ）：邋２Ｇ時(shí)代只需要部署逡逑幾萬(wàn)個(gè)基站就可以實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而５Ｇ的連接密度卻高達(dá)１逡逑百萬(wàn)／ｋｍ２。事實(shí)上從１Ｇ到４Ｇ是一個(gè)小區(qū)半徑不斷減小并且小區(qū)密度不斷增加逡逑５逡逑

用多用戶檢測(cè)分離技術(shù)解調(diào)信號(hào)，從而達(dá)到提高無(wú)線通信系統(tǒng)容量的目的。后者逡逑指的是將一個(gè)相同的數(shù)據(jù)流在不同的ＭＩＭＯ子信道上進(jìn)行多次傳輸，并且在接逡逑收端采用分集合并技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而達(dá)到抵抗信道衰落、提高無(wú)線通信逡逑系統(tǒng)可靠性的目的。多用戶ＭＩＭＯ技術(shù)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)ＭＩＭＯ技術(shù)為基礎(chǔ)，指的是配逡逑置有多根天線的基站和多個(gè)用戶之間進(jìn)行的通信［１＿２４］。其中用戶端既可以配置單逡逑根天線也可以配置多根天線。由于多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)中用戶間距離一般較大，逡逑因此其可以充分發(fā)揮ＭＩＭＯ技術(shù)的空間復(fù)用優(yōu)勢(shì)，有效解決點(diǎn)對(duì)點(diǎn)ＭＩＭＯ系統(tǒng)逡逑中視距傳播性能不佳的問(wèn)題。大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)以多用戶ＭＩＭＯ技術(shù)為基礎(chǔ)，逡逑于２０１０年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ｔｈｏｍａｓ邋Ｌ．邋Ｍａｒｚｅｔｔａ等研宄人員提出，指的是配逡逑置有大規(guī)模天線陣列（通常是成百上千根天線）的基站和多個(gè)配置有單根天線的逡逑用戶之間進(jìn)行的通信［１“３］。逡逑１．３．２技術(shù)優(yōu)勢(shì)逡逑與多用戶ＭＩＭＯ技術(shù)相比，大規(guī)模ＭＩＭＯ技術(shù)不僅僅是對(duì)基站端天線規(guī)模逡逑進(jìn)行簡(jiǎn)單的擴(kuò)大，它在許多方面都具有傳統(tǒng)ＭＩＭＯ技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。如圖逡逑１＿２所示，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.5

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本文編號(hào)：2594114