社會經(jīng)濟發(fā)展的需求以及科技的進步促使無線通信每十年就會經(jīng)歷一次變革,也就是產(chǎn)生一個新的標(biāo)準(zhǔn)。我們現(xiàn)在正處于推出第五代移動通信技術(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通信技術(shù)(the 6th-Generation,6G)概念化。本論文的工作是在5G進行得如火如荼的時候開始的,希望能夠為現(xiàn)階段以及下一代的無線通信貢獻(xiàn)出微薄之力。因為不論無線通信處于哪個階段,其中的一個的主要目標(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,噪聲和干擾項在使用很簡單的線性信號處理的情況下就可以消除,大大簡化了信號處理的復(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:大幅度增強系統(tǒng)的魯棒性,顯著減小通信過程中的時延等。為了實現(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),從而可以進行有效的預(yù)編碼和信號檢測。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,上行信道的估計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上行信道,但是對于下行信道的估計不能夠像普通的MIMO一樣由基站發(fā)送導(dǎo)頻序列,然后用戶估計之后將信息反饋給基站,這是因為信道估計只在某一段有限的時間范圍內(nèi)保持不變,也就是我們常說的信道相干時間(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。所以對于大規(guī)模MIMO,通常采用時分雙工(Time Divison Duplexing,TDD)模式,從而可以利用信道的互易性(reciprocity)來估計下行信道。而在此信道估計過程中存在一個嚴(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,所以也會發(fā)送到或者接收其他小區(qū)的干擾信號,并且由導(dǎo)頻污染導(dǎo)致的干擾即使在基站端天線數(shù)目趨于無窮大的時候仍然存在,成為限制大規(guī)模MIMO的一個瓶頸性的問題。因此,如何減輕導(dǎo)頻污染以及研究導(dǎo)頻污染對系統(tǒng)性能的影響對于大規(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立的條件下,可以使下行鏈路傳輸消除導(dǎo)頻污染,并針對實際情況,提出了一種新的信道協(xié)方差估計方法,在不完美協(xié)方差條件之下又分析了導(dǎo)頻污染對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的影響程度。之后將此協(xié)方差估計方法進行了擴展,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方面:1.在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中提出了兩個上行導(dǎo)頻功率控制機制來減輕導(dǎo)頻污染問題。求解每個用戶最優(yōu)的導(dǎo)頻功率的過程涉及組合優(yōu)化問題,運用了遺傳算法將每個用戶的導(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)和整個網(wǎng)絡(luò)用戶的平均SINR,進而抑制導(dǎo)頻污染。并且將所提的這兩種功率控制機制與通常情況下采用的恒定功率控制機制(即每個用戶使用大小相同的發(fā)送功率)進行比較,所提出的最大化最小用戶信干噪比功率控制機制和最大化用戶平均信干噪比功率控制機制在信干噪比和功耗方面均明顯優(yōu)于恒定功率控制機制。2.提出了一種新的信道協(xié)方差矩陣估計方法并分析了在導(dǎo)頻污染下以此不完美信道協(xié)方差進行信道估計時的大規(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)不實際,因此,提出了一種新的信道協(xié)方差矩陣估計方法,與現(xiàn)有的二階統(tǒng)計估計方法相比,該方法具有更好的估計性能。然后利用以上方法獲得的估計信道協(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)方差估計方法,并且令同信道用戶的協(xié)方差矩陣之間線性獨立,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天線陣列時的下行鏈路的頻譜效率。由于第2點中提到的信道協(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天線對之間的協(xié)方差值。估計出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)存的估計方法以及具有完美協(xié)方差的方法進行了比較。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)制信號也用來檢測發(fā)送天線序號。還提出了一種利用獨立且非同分布隨機變量的順序統(tǒng)計概率論計算發(fā)送天線序號檢測誤差概率的算法,同時推導(dǎo)了在基站端天線數(shù)目趨于無窮時的分別使用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。以兩個小區(qū)為例，小區(qū)１和小區(qū)逡逑２。每個小區(qū)中有一個基站和一個用戶。令表示基站ｉ和用戶ｊ＿之間的信道。兩逡逑個小區(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)，第一個逡逑小區(qū)中的基站１估計的信道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�；荆痹儆玫玫降男诺拦厘义嫌嬙O(shè)計預(yù)編碼器為七二／（ｉｉｕ；）。這樣經(jīng)過預(yù)編碼器發(fā)送的信號將會既包括所需的逡逑信號項ｈ？ａｉ又包括干擾信號項ｈ１２ａｉ，而且這兩項在統(tǒng)計意義上沒什么差別，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)一個基站在一個小區(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，下行鏈路中就會產(chǎn)生對其他小區(qū)使用相同導(dǎo)頻的用戶的干擾（基站１對逡逑用戶２的干擾），同樣，對于上行鏈路基站端也會收到其他小區(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)模型工作在時分雙工（ＴＤＤ）模式下，如此一來，逡逑下行信道的估計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)，每個小區(qū)只列出了一個用戶，用戶端首先發(fā)送導(dǎo)頻信號到基站端，逡逑然后基站端根據(jù)這些導(dǎo)頻信號來估計上行信道，有了信道估計信息之后基站端就逡逑可以利用其進行預(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，每個用戶從預(yù)先定義的導(dǎo)頻序列集合中隨機選擇一個向本小區(qū)逡逑的基站發(fā)送。第／個基站接收到的導(dǎo)頻信號Ｙ｜可以表示為邐－逡逑Ｌ逡逑＝邋＋邋（２．１）逡逑其中ｅ邐是第／個基站到第／個小區(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是每個導(dǎo)頻序列的長度且小于信道的相干時間。Ｄ，是一個對角線矩陣，逡逑它的對角線元素ｂ丨．凡，．…表示的是第〗個小區(qū)中所有Ｋ個用戶的導(dǎo)頻發(fā)送逡逑功率，Ｎ是一個７＼／ｘｒ維的噪聲矩陣，其中的每個兀素獨立同分布（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的值一般會合理地設(shè)定在了１００到１５０之間。逡逑步驟２邋（適應(yīng)度計算）：適應(yīng)度表示的是一個染色體能夠在群體中繁殖小，它是直接從代價函數(shù)推導(dǎo)出來然后進行優(yōu)化的。因此，根據(jù)式（２．１．１５），這一章給出了兩個適應(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（度越大的染色體對應(yīng)越好的代價函數(shù)解。同樣，越大的適應(yīng)度代表越大選擇去交叉配對、變異以更好的在種群中生存。逡逑

本文編號：2817151