大规模MIMO系统下的导频随机接入方案

摘要

随着物联网技术的兴起与普及，海量机器类型通信（Machine Type Communications，MTC）终端需要通过网络传输信息。在大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统的信道估计过程中，若使用传统的导频分配方式，很难为各终端分配相互正交的导频序列，使得基站无法估计出正确的信道信息，形成导频污染现象。导频污染问题成为制约大规模 MIMO信道容量的主要因素。因此，研究有效的导频分配方案显得尤为重要。导频随机接入（Pilot Random Access，PRA）是近年来研究学者提出的导频分配方案之一，可有效缓解导频污染问题。本文重点研究并讨论了过负载场景下，大规模 MIMO系统下的导频随机接入方案。 为深刻了解导频随机接入过程，本文首先详细介绍长期演进型（Long Term Evolution，LTE）系统下的随机接入机制，并重点介绍基于竞争的随机接入过程。随后，针对M2M通信系统下物理随机接入信道（Physical Random Access Channel， PRACH）过负载问题，简单描述了6种解决方案。最后，详细介绍了两种主要的导频随机接入方案——最强用户冲突解决（Strongest User Collision Resolution，SUCR）方案和基于编码的随机接入（Coded Pilot Access, CPA）方案，并分析了两种方案各自的优劣。 为了解决大规模MIMO系统下的导频污染问题，本文提出一种联合SUCR算法和定时提前信息（Timing Advance，TA）信息的导频随机接入方案，即SUCR-TA方案。该方案关键在于为每个导频序列选择了合适的TA值，降低了SUCR方案过程中参与最强用户判决的终端数量，继而提高了系统的冲突解决概率。仿真和理论结果表明，与SUCR方案相比，SUCR-TA方案极大地增加了系统成功接入终端数量。 考虑到导频随机接入过程中空导频现象造成的导频资源浪费问题，本文通过在SUCR-TA方案接入过程中使用空导频，提出SUCR-TA-IPA（SUCR-TA-Idle Pilot Access）方案。仿真结果表明，与SUCR-TA方案相比，SUCR-TA-IPA方案可改善导频资源浪费问题，同时也进一步增加了系统成功接入终端数量。此外，本文还将SUCR、SUCR-TA以及SUCR-TA-IPA方案引入多时隙接入系统。文中还对三种方案在多时隙系统的成功接入用户数进行仿真，结果表明SUCR-TA-IPA方案拥有最佳的系统性能。

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ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 技术背景

1.3 导频随机接入方案的研究意义与研究现状

1.3.1 导频随机接入方案的研究意义

1.3.2 导频随机接入方案的研究现状

1.4 论文研究内容结构安排

第二章 导频随机接入基础知识

2.1 LTE系统下的随机接入过程

2.1.1随机接入过程的目的

2.1.2 随机接入前导码

2.1.3 随机接入过程的触发方式

2.1.4 随机接入分类及其过程

2.1.5 M2M通信系统下随机接入过程的优化方案

2.2 大规模MIMO的基本系统模型

2.2.1 系统模型

2.2.2 H2H通信系统信道估计

2.2.3 M2M通信系统信道估计

2.3 最强用户冲突解决方案

2.3.1 SUCR方案描述

2.3.2 SUCR方案分析

2.4 基于编码的导频与数据传输方案

2.4.1 数据传输过程

2.4.2 数据恢复过程

2.4.3 CPA方案分析

2.5 本章小结

第三章 基于定时提前信息的导频随机接入方案

3.1 系统模型

3.1.1 定时提前信息

3.1.2 导频序列

3.2 SUCR-TA 方案

3.2.1 方案描述

3.2.2 方案分析

3.3 性能分析及仿真结果

3.3.1 性能分析

3.3.2 仿真结果

3.4 本章小结

第四章 基于重传的SUCR-TA-IPA方案

4.1 系统模型

4.2 基于重传的SUCR-TA-IPA方案

步骤1：终端在导频序列池中随机选择导频序列，并发送至基站端

步骤2：基站向各终端广播PRAR信息

步骤3：终端重传二次/空导频序列

步骤4：基站为成功接入的终端分配导频序列

4.3 性能分析及仿真结果

4.3.1 性能分析

4.3.2 仿真结果

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文主要贡献

5.2 对未来研究工作的展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1. 发表学术论文

3.2. 申请（授权）专利

3.3. 参与科研项目及获奖