【摘要】：近年來,隨著智能終端的迅速普及,移動數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。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)目要遠遠大于系統(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技術可以在提高通信系統(tǒng)頻譜效率10倍以上的同時提高其能量效率1 00倍以上。另外它還可以有效降低空中接口時延、簡化多址接入層設計、縮減硬件成本和提高系統(tǒng)魯棒性。目前大規(guī)模MIMO技術已經(jīng)成為第五代移動通信系統(tǒng)(5th Generation Mobile Communication System,5G)的研究熱點之一。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,準確的上下行鏈路信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)對于實現(xiàn)高質(zhì)量的通信至關重要。但是由于相干時間長度有限,正交導頻序列的數(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,正交導頻分配方案不能夠執(zhí)行。當系統(tǒng)內(nèi)不同的用戶復用同一個導頻序列時就會出現(xiàn)導頻污染現(xiàn)象。在導頻污染的影響下,基站端無法獲得準確的上下行鏈路CSI。有研究表明即使基站端部署的天線數(shù)目趨近于無窮,導頻污染問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)的上行導頻優(yōu)化問題,主要的貢獻和創(chuàng)新點如下:第一,本文討論空間獨立信道下單小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行導頻優(yōu)化問題。當采用非正交導頻序列時,分別推導最小二乘(Least Squares,LS)和最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)估計下信道估計誤差和系統(tǒng)容量的表達式。為了優(yōu)化信道估計誤差性能,分析導頻長度充足和導頻長度不足兩種情況下的導頻信號重建方案。當導頻長度充足時,重建的導頻序列可以滿足相互正交條件。而當導頻長度不足時,提出一種基于Orthogonal Procrustes Principle(OPP)的方法使得重建的導頻序列之間的相關性盡可能小。為了提高小區(qū)邊緣用戶的服務質(zhì)量(Quality of Service,QoS),提出一種考慮導頻質(zhì)量的導頻序列分配方案,即盡量避免質(zhì)量較差的導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,提出一種遞進式的導頻發(fā)送功率分配方案。最后,仿真結(jié)果分別驗證所提方案的有效性。第二,本文討論空間相關信道下單小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行導頻優(yōu)化問題。當基站端天線數(shù)目趨近于無窮時,通過大尺度衰落系數(shù)和信道到達角(Angle of Arrival,AOA)信息來構(gòu)建兩個用戶信道響應向量之間的空間相關性。當不同用戶的信道AOA范圍滿足非重疊條件時,對應的信道響應向量可以被認為是相互正交的。在這種情況下,推導系統(tǒng)容量的表達式。為了優(yōu)化系統(tǒng)容量性能,提出一種基于信道AOA信息的低復雜度導頻序列分配方案。一方面,正交導頻序列應該分配給信道AOA相似度較高的用戶。另一方面,正交導頻序列應該分配給信道AOA范圍跨度較大的用戶。通過這種方式,導頻復用造成的小區(qū)內(nèi)干擾可以被盡可能減小。最后仿真結(jié)果表明,當基站端天線數(shù)目有限時所提導頻序列分配方案可以有效提高系統(tǒng)性能。第三,本文討論空間相關信道下多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行導頻優(yōu)化問題。和單小區(qū)場景相比,多小區(qū)場景中的導頻污染問題往往更加嚴重。當正交導頻序列的數(shù)目小于每個小區(qū)內(nèi)的活躍用戶數(shù)目時,推導系統(tǒng)容量的表達式。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頻序列分配方案來緩解小區(qū)間干擾。一方面,保證每個用戶組內(nèi)不復用同一個導頻序列。另一方面,只有當不同組內(nèi)用戶之間的潛在干擾足夠小時才可以使用相同的導頻序列。最后仿真結(jié)果表明,當基站端天線數(shù)目有限時所提方案可以有效提高系統(tǒng)性能與復雜度之間的權衡。
【圖文】：

其中無線技術方面主要包括：逡逑第一，大規(guī)模ＭＩＭＯ技術：與單發(fā)送單接收系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)ＭＩＭＯ技術已逡逑經(jīng)可以大幅度提高無線通信系統(tǒng)性能［１＿１２］。如圖１－１所示，大規(guī)模ＭＩＭＯ技術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同時服務數(shù)量相對較少的終端用戶，，該技術于２０１０年由美國貝爾逡逑實驗室提出［１—１３］。大規(guī)模ＭＩＭＯ技術對系統(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維度上動態(tài)調(diào)整發(fā)射信號，從而有效減小干擾，提高無線通信逡逑系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。自提出之日起，該技術就受到了國內(nèi)外產(chǎn)學研各方逡逑面的高度關注。逡逑＾邐終端１逡逑終端３逡逑圖１－１大規(guī)模ＭＩＭＯ技術示意圖逡逑第二，超密集組網(wǎng)技術（ＵｌｔｒａＤｅｎｓｅＮｅｔｗｏｒｋ，邋ＵＤＮ）：邋２Ｇ時代只需要部署逡逑幾萬個基站就可以實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡覆蓋，而５Ｇ的連接密度卻高達１逡逑百萬／ｋｍ２。事實上從１Ｇ到４Ｇ是一個小區(qū)半徑不斷減小并且小區(qū)密度不斷增加逡逑５逡逑

用多用戶檢測分離技術解調(diào)信號，從而達到提高無線通信系統(tǒng)容量的目的。后者逡逑指的是將一個相同的數(shù)據(jù)流在不同的ＭＩＭＯ子信道上進行多次傳輸，并且在接逡逑收端采用分集合并技術對信號進行處理，從而達到抵抗信道衰落、提高無線通信逡逑系統(tǒng)可靠性的目的。多用戶ＭＩＭＯ技術以點對點ＭＩＭＯ技術為基礎，指的是配逡逑置有多根天線的基站和多個用戶之間進行的通信［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技術的空間復用優(yōu)勢，有效解決點對點ＭＩＭＯ系統(tǒng)逡逑中視距傳播性能不佳的問題。大規(guī)模ＭＩＭＯ技術以多用戶ＭＩＭＯ技術為基礎，逡逑于２０１０年由美國貝爾實驗室的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）的基站和多個配置有單根天線的逡逑用戶之間進行的通信［１“３］。逡逑１．３．２技術優(yōu)勢逡逑與多用戶ＭＩＭＯ技術相比，大規(guī)模ＭＩＭＯ技術不僅僅是對基站端天線規(guī)模逡逑進行簡單的擴大，它在許多方面都具有傳統(tǒng)ＭＩＭＯ技術無法比擬的優(yōu)勢。如圖逡逑１＿２所示，其技術優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：逡逑
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2594114