社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求以及科技的進(jìn)步促使無線通信每十年就會(huì)經(jīng)歷一次變革,也就是產(chǎn)生一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。我們現(xiàn)在正處于推出第五代移動(dòng)通信技術(shù)(the 5th-Generation,5G)的研究階段,世界各地也已著手加速5G的商業(yè)部署,工業(yè)界和學(xué)術(shù)界開始將目光投向5G之外并將第六代移動(dòng)通信技術(shù)(the 6th-Generation,6G)概念化。本論文的工作是在5G進(jìn)行得如火如荼的時(shí)候開始的,希望能夠?yàn)楝F(xiàn)階段以及下一代的無線通信貢獻(xiàn)出微薄之力。因?yàn)椴徽摕o線通信處于哪個(gè)階段,其中的一個(gè)的主要目標(biāo)都是能夠提升系統(tǒng)容量,使之接近香農(nóng)極限。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),通常有三種方法:一是采用超密集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),比如微蜂窩(small cell)技術(shù);二是向更高的頻率遷移,擴(kuò)展帶寬,比如毫米波技術(shù)(millimeter-Wave,mm Wave);三是使用一些擁有較高頻譜效率的技術(shù)。本論文主要研究的大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)就是提高頻譜效率的技術(shù)之一。大規(guī)模MIMO技術(shù)指的是在終端安裝數(shù)以百計(jì)的天線單元,通過空間復(fù)用和陣列增益大幅度提高頻譜效率和能量效率,減小干擾,并且隨著天線數(shù)目的增多,基站到用戶之間的信道趨于正交,噪聲和干擾項(xiàng)在使用很簡單的線性信號(hào)處理的情況下就可以消除,大大簡化了信號(hào)處理的復(fù)雜度。此外,大規(guī)模MIMO系統(tǒng)還具有許多其他的優(yōu)良特性,如:大幅度增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性,顯著減小通信過程中的時(shí)延等。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO給我們帶來的好處,基站端需要知道相當(dāng)準(zhǔn)確的上行和下行信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI),從而可以進(jìn)行有效的預(yù)編碼和信號(hào)檢測。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,上行信道的估計(jì)通常是通過用戶端給基站發(fā)送導(dǎo)頻序列,然后由基站端來估計(jì)上行信道,但是對(duì)于下行信道的估計(jì)不能夠像普通的MIMO一樣由基站發(fā)送導(dǎo)頻序列,然后用戶估計(jì)之后將信息反饋給基站,這是因?yàn)樾诺拦烙?jì)只在某一段有限的時(shí)間范圍內(nèi)保持不變,也就是我們常說的信道相干時(shí)間(channel coherent time),而大規(guī)模MIM0天線數(shù)量太大,發(fā)送的下行導(dǎo)頻會(huì)占用大量資源,導(dǎo)致分配給有用數(shù)據(jù)的資源減少。所以對(duì)于大規(guī)模MIMO,通常采用時(shí)分雙工(Time Divison Duplexing,TDD)模式,從而可以利用信道的互易性(reciprocity)來估計(jì)下行信道。而在此信道估計(jì)過程中存在一個(gè)嚴(yán)重的問題,導(dǎo)頻污染(Pilot Contamination,PC)。導(dǎo)頻污染是由于相鄰小區(qū)的用戶使用同一套或具有相關(guān)性的導(dǎo)頻序列集合,導(dǎo)致基站估計(jì)的信道不可避免的包含了到所有和自己本小區(qū)用戶使用同一導(dǎo)頻或者是相關(guān)導(dǎo)頻的用戶的信道,所以也會(huì)發(fā)送到或者接收其他小區(qū)的干擾信號(hào),并且由導(dǎo)頻污染導(dǎo)致的干擾即使在基站端天線數(shù)目趨于無窮大的時(shí)候仍然存在,成為限制大規(guī)模MIMO的一個(gè)瓶頸性的問題。因此,如何減輕導(dǎo)頻污染以及研究導(dǎo)頻污染對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)有重要的意義。此外,空間調(diào)制技術(shù)(Spatial Modulation,SM)也屬于一種特殊的MIMO技術(shù),它只需要一個(gè)RF(Radio Frequency.RF)鏈路,激活多根天線中的一根天線發(fā)送信息,降低硬件損耗的同時(shí)又能夠避免天線之間的干擾(Inter-antenna Interference,IAI)和同步問題,一部分信源信息用來選擇天線,另一部分信源信息進(jìn)行傳統(tǒng)的幅度相位調(diào)制(Amplitude/Phase Modulation,APM),具有一定的頻譜效率增益�？臻g調(diào)制這種MIMO技術(shù)可以應(yīng)用在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的用戶端,進(jìn)一步增加系統(tǒng)容量,間接地減小導(dǎo)頻污染所帶來的系統(tǒng)容量損失。而廣義空間調(diào)制技術(shù)(Generalized Spatial Modulation,GSM),可以同時(shí)激發(fā)多根天線來發(fā)送不同數(shù)據(jù)流,相比于SM,GSM可以獲得更高的頻譜效率增益,代價(jià)是增加的RF鏈路和檢測復(fù)雜度,但是GSM可以在頻譜效率和系統(tǒng)開銷上做到更好的權(quán)衡。此論文主要圍繞大規(guī)模MIMO系統(tǒng)如何抑制導(dǎo)頻污染以及在導(dǎo)頻污染下的性能展開研究。首先提出了減輕導(dǎo)頻污染的功率控制方法,然后推導(dǎo)了一種多小區(qū)最小均方誤差(Multi-cell Minimum Mean-Sqare Error,M-MMSE)預(yù)編碼器,此預(yù)編碼器在滿足使用同一導(dǎo)頻的用戶的信道協(xié)方差矩陣相互線性獨(dú)立的條件下,可以使下行鏈路傳輸消除導(dǎo)頻污染,并針對(duì)實(shí)際情況,提出了一種新的信道協(xié)方差估計(jì)方法,在不完美協(xié)方差條件之下又分析了導(dǎo)頻污染對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的影響程度。之后將此協(xié)方差估計(jì)方法進(jìn)行了擴(kuò)展,分析了同一信道條件下基站端安裝均勻平面陣列(Uniform Planar Array,UPA)時(shí)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下行鏈路在導(dǎo)頻污染下的頻譜效率,最后分析了用戶端采用GSM時(shí)在導(dǎo)頻污染下的多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行鏈路的頻譜效率。論文的主要研究成果有以下四個(gè)方面:1.在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中提出了兩個(gè)上行導(dǎo)頻功率控制機(jī)制來減輕導(dǎo)頻污染問題。求解每個(gè)用戶最優(yōu)的導(dǎo)頻功率的過程涉及組合優(yōu)化問題,運(yùn)用了遺傳算法將每個(gè)用戶的導(dǎo)頻功率作為優(yōu)化變量輸入到比特信息中迭代優(yōu)化。這兩種機(jī)制可以分別最大化系統(tǒng)中性能最差用戶的信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio.SINR)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶的平均SINR,進(jìn)而抑制導(dǎo)頻污染。并且將所提的這兩種功率控制機(jī)制與通常情況下采用的恒定功率控制機(jī)制(即每個(gè)用戶使用大小相同的發(fā)送功率)進(jìn)行比較,所提出的最大化最小用戶信干噪比功率控制機(jī)制和最大化用戶平均信干噪比功率控制機(jī)制在信干噪比和功耗方面均明顯優(yōu)于恒定功率控制機(jī)制。2.提出了一種新的信道協(xié)方差矩陣估計(jì)方法并分析了在導(dǎo)頻污染下以此不完美信道協(xié)方差進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上下行鏈路的頻譜效率。鑒于已知信息,即只要使用同一導(dǎo)頻的用戶的協(xié)方差矩陣之間線性獨(dú)立并且使用M-MMSE檢測接收的情況下,多小區(qū)大規(guī)模MIMO上行鏈路的頻譜效率就可以無限增長,克服導(dǎo)頻污染。本文在同樣的信道條件下推導(dǎo)出了下行鏈路的M-MMSE預(yù)編碼器并且發(fā)現(xiàn)下行鏈路的頻譜效率也可以實(shí)現(xiàn)無限增長,消除導(dǎo)頻污染。然而,由于已知信道二階信息的假設(shè)不實(shí)際,因此,提出了一種新的信道協(xié)方差矩陣估計(jì)方法,與現(xiàn)有的二階統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法相比,該方法具有更好的估計(jì)性能。然后利用以上方法獲得的估計(jì)信道協(xié)方差矩陣,分析了上行鏈路和下行鏈路使用不同接收機(jī)不同預(yù)編碼器的頻譜效率并且和擁有完美信道協(xié)方差矩陣的情況做了對(duì)比。3.提出了一種可以應(yīng)用在二維天線陣列的信道協(xié)方差估計(jì)方法,并且令同信道用戶的協(xié)方差矩陣之間線性獨(dú)立,在這種易于抑制導(dǎo)頻污染的信道條件下分析了基站端采用大規(guī)模UPA天線陣列時(shí)的下行鏈路的頻譜效率。由于第2點(diǎn)中提到的信道協(xié)方差方法只能應(yīng)用于一維天線結(jié)構(gòu),即均勻線陣(Uniform Linear Array,ULA),后續(xù)為了彌補(bǔ)這一缺陷,將此方法拓展到了更一般的天線布局中,著重分析了UPA。只要在基站端知道天線布局信息的情況下,就可以利用協(xié)方差矩陣沒有完全自由度的特征估計(jì)天線對(duì)之間的協(xié)方差值。估計(jì)出UPA的協(xié)方差矩陣之后,將其應(yīng)用在多小區(qū)存在導(dǎo)頻污染的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,分析了采用大規(guī)模UPA天線陣列的下行鏈路的頻譜效率并將其與現(xiàn)存的估計(jì)方法以及具有完美協(xié)方差的方法進(jìn)行了比較。當(dāng)導(dǎo)頻樣本數(shù)目取得足夠大的情況下可以消除導(dǎo)頻污染。4.將廣義空間調(diào)制技術(shù)(GSM)應(yīng)用在用戶端,與大規(guī)模MIMO相結(jié)合,組成大規(guī)模GSM-MIMO系統(tǒng),并分析了多小區(qū)多用戶存在導(dǎo)頻污染下的大規(guī)模GSM-MIMO系統(tǒng)的上行鏈路的頻譜效率。目前,大規(guī)模GSM-MIMO在多小區(qū)多用戶系統(tǒng)中的研究文獻(xiàn)屈指可數(shù)且有一定的缺陷。因此提出了一種在用戶端和基站端具有任意發(fā)送協(xié)方差矩陣和接收協(xié)方差矩陣的實(shí)際的信道模型,將導(dǎo)頻污染也考慮在內(nèi)的情況下,分析了多小區(qū)多用戶大規(guī)模GSM-MIMO系統(tǒng)上行鏈路的可達(dá)速率。單小區(qū)MMSE(Single-cell MMSE,S-MMSE)也是首次即被用來檢測傳統(tǒng)的相位幅度調(diào)制信號(hào)也用來檢測發(fā)送天線序號(hào)。還提出了一種利用獨(dú)立且非同分布隨機(jī)變量的順序統(tǒng)計(jì)概率論計(jì)算發(fā)送天線序號(hào)檢測誤差概率的算法,同時(shí)推導(dǎo)了在基站端天線數(shù)目趨于無窮時(shí)的分別使用S-MMSE,ZF和MF濾波器的可達(dá)速率的近似值。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

邐站２逡逑圖１．２：上行鏈路訓(xùn)練過程導(dǎo)頻污染圖解逡逑這里用圖１．２來具體說明導(dǎo)頻污染的問題。以兩個(gè)小區(qū)為例，小區(qū)１和小區(qū)逡逑２。每個(gè)小區(qū)中有一個(gè)基站和一個(gè)用戶。令表示基站ｉ和用戶ｊ＿之間的信道。兩逡逑個(gè)小區(qū)用戶使用的是相同的導(dǎo)頻，在這種情況下，以小區(qū)１為目標(biāo)小區(qū)，第一個(gè)逡逑小區(qū)中的基站１估計(jì)的信道ｈｎ就是＝邋ｑｈｎ邋＋邋Ｃ２ｈ１２邋＋邋ｃｎ，其中ｅｐ邋ｃ；２和ｃ是逡逑和環(huán)境因素以及發(fā)送功率有關(guān)的常數(shù)，ｎ是噪聲矢量。基站１再用得到的信道估逡逑計(jì)設(shè)計(jì)預(yù)編碼器為七二／（ｉｉｕ；）。這樣經(jīng)過預(yù)編碼器發(fā)送的信號(hào)將會(huì)既包括所需的逡逑信號(hào)項(xiàng)ｈ？ａｉ又包括干擾信號(hào)項(xiàng)ｈ１２ａｉ，而且這兩項(xiàng)在統(tǒng)計(jì)意義上沒什么差別，因逡逑此，在使用非正交訓(xùn)練序列的上行訓(xùn)練中，一般假設(shè)一個(gè)基站在一個(gè)小區(qū)中使用逡逑的預(yù)編碼向量與其他小區(qū)中用戶的信道不相關(guān)是無效的。使用這樣的預(yù)編碼器發(fā)逡逑送信號(hào)，下行鏈路中就會(huì)產(chǎn)生對(duì)其他小區(qū)使用相同導(dǎo)頻的用戶的干擾（基站１對(duì)逡逑用戶２的干擾），同樣，對(duì)于上行鏈路基站端也會(huì)收到其他小區(qū)使用相同導(dǎo)頻用逡逑戶的千擾（用戶２對(duì)基站１的干擾）

的一套導(dǎo)頻序列集合。此網(wǎng)絡(luò)模型工作在時(shí)分雙工（ＴＤＤ）模式下，如此一來，逡逑下行信道的估計(jì)就可以利用信道互易性直接通過用戶發(fā)送的導(dǎo)頻估計(jì)的上行？信道逡逑而得出。信道假設(shè)是塊衰落信道，即信道在相干時(shí)間內(nèi)保持不變。圖２．１展示了逡逑此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每個(gè)小區(qū)只列出了一個(gè)用戶，用戶端首先發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)到基站端，逡逑然后基站端根據(jù)這些導(dǎo)頻信號(hào)來估計(jì)上行信道，有了信道估計(jì)信息之后基站端就逡逑可以利用其進(jìn)行預(yù)編碼發(fā)射下行數(shù)據(jù)。邐：逡逑２．２．１上行鏈路導(dǎo)頻發(fā)送逡逑在第一階段，每個(gè)用戶從預(yù)先定義的導(dǎo)頻序列集合中隨機(jī)選擇一個(gè)向本小區(qū)逡逑的基站發(fā)送。第／個(gè)基站接收到的導(dǎo)頻信號(hào)Ｙ｜可以表示為邐－逡逑Ｌ逡逑＝邋＋邋（２．１）逡逑其中ｅ邐是第／個(gè)基站到第／個(gè)小區(qū)中的用戶之間的信道矩陣’邋￥邋ｅ邋＃蕹呤牽]3?所有小區(qū)用戶所使用的導(dǎo)頻序列集合（頻率復(fù)用因子為１），并且滿足￥？￥邋＝逡逑ＩＫ，Ｔ是每個(gè)導(dǎo)頻序列的長度且小于信道的相干時(shí)間。Ｄ，是一個(gè)對(duì)角線矩陣，逡逑它的對(duì)角線元素ｂ丨．凡，．…表示的是第〗個(gè)小區(qū)中所有Ｋ個(gè)用戶的導(dǎo)頻發(fā)送逡逑功率，Ｎ是一個(gè)７＼／ｘｒ維的噪聲矩陣，其中的每個(gè)兀素獨(dú)立同分布（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ逡逑ａｎｄ邋ｉｄｅｎｔｉｃａｌｌｙ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ

圖２．２：上行導(dǎo)頻功率控制遺傳算法流程圖逡逑最大數(shù)目的繁衍代數(shù)．％６１１＿？＾是用來結(jié)束迭代過程的，要綜合考慮算法性能而設(shè)定，ｉＶｇｅｎｊｎａｘ的值一般會(huì)合理地設(shè)定在了１００到１５０之間。逡逑步驟２邋（適應(yīng)度計(jì)算）：適應(yīng)度表示的是一個(gè)染色體能夠在群體中繁殖小，它是直接從代價(jià)函數(shù)推導(dǎo)出來然后進(jìn)行優(yōu)化的。因此，根據(jù)式（２．１．１５），這一章給出了兩個(gè)適應(yīng)度函數(shù)，即逡逑ｆＭａｘＭｉｎ邋（Ａ）邋＝＝邋ｌｌｌｉｎ邋７ｉ／ｃ．邐（２Ｖｉ逡逑ｆＭ—邋（Ａ）邋＝邋Ｅ邋［７認(rèn)］．邐（度越大的染色體對(duì)應(yīng)越好的代價(jià)函數(shù)解。同樣，越大的適應(yīng)度代表越大選擇去交叉配對(duì)、變異以更好的在種群中生存。逡逑

本文編號(hào)：2817151