大规模MIMO系统中基于导频分配与预编码的导频污染减轻方法研究

摘要

大规模MIMO(Massive multiple-input multiple-output)，作为5G中的关键技术之一，近几年吸引了业界广泛关注。由于基站端配置了大规模天线阵列，可以同时为多用户提供通信服务，极大提升了能量效率和系统容量，但系统上行链路相邻小区用户的导频复用会产生导频污染，造成信道估计误差，进而影响下行链路预编码的性能。因此，本文针对大规模MIMO多小区多用户系统，研究导频污染减轻的实现方法及对系统性能的提升。论文首先介绍了大规模MIMO系统的研究背景、三种关键技术以及导频污染问题。其次分别从导频分配方法及预编码方法两个不同方面重点研究了导频污染减轻的方法，采用有效的导频分配方法以及低复杂度预编码方法，减轻导频污染影响，以提高系统整体性能。论文主要研究内容有:
　　(1)研究大规模MIMO系统中产生导频污染的原因，对基于TDD方式的大规模MIMO系统，从上行链路及下行链路两个方面分析导频污染问题对系统可达速率产生的影响，并对导频污染减轻方法的研究现状进行对比分析和总结。
　　(2)针对传统按用户分配导频方法时导频开销过大问题，引入按小区分配导频方法，提出一种基于小区的导频分配并结合用户分组的方法，用于减轻导频污染的影响。上行链路中，不同小区使用相互正交的导频序列，消除了小区间的干扰。小区内用户采用相同导频，人为引入了小区内干扰。再按照小区内导频污染程度将其用户分割成中间用户组及边沿用户组，中间用户组由于导频污染较轻使用同一导频，受导频污染影响严重的边沿用户组重新分配正交导频。采用上行链路信干噪比和系统可达速率作为衡量所提导频分配方法有效性指标，仿真分析了不同基站天线数和信噪比下导频分配方法的性能。
　　(3)针对规则化迫零RZF预编码方法的高复杂度问题，引入截断多项式TPE预编码算法，通过分析ZF、RZF、TPE三种预编码方法的性能，提出一种cell-TPE的导频污染预编码方法，用于减轻导频污染的影响。结合论文前面基于小区定义的导频分配方法，当基站天线数趋于无穷时，在下行链路传输中采用合适的TPE预编码方法，截断多项式过程代替RZF预编码矩阵求逆运算，降低实现复杂度的同时性能逼近RZF预编码方法，减轻人为引入的小区内导频干扰，整体上减轻导频污染影响。采用下行链路信干噪比和系统可达速率作为衡量所提导频污染预编码方法有效性指标，论文仿真分析了不同基站天线数和信噪比下导频污染预编码方法的性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要研究内容和结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 论文结构安排

第二章 大规模MIMO系统

2．1 大规模MIMO系统通信机制

2．2 大规模MIMO的关键技术

2．2．1 信道估计

2．2．2 信号检测

2．2．3 预编码技术

2．2．4 导频污染消除

2．3 本章小结

第三章 基于小区定义的导频分配方法

3．1 大规模MIMO系统模型

3．2 常见导频分配方法

3．3 基于小区定义的导频分配方法

3．3．1 小区用户导频的处理

3．3．2 中心用户组与边缘用户组的划分

3．4 仿真结果对比及分析

3．5 本章小结

第四章 基于截断多项式的导频污染预编码方法

4．1 大规模MIMO下行链路系统模型

4．1．1 信道衰落和系统模型

4．1．2 大规模MIMO系统相关参数

4．2 常用线性预编码方法

4．2．1 预编码原理概述

4．2．2 迫零预编码方法

4．2．3 规则化迫零预编码方法

4．3 截断多项式预编码方法

4．3．1 信干噪比分析

4．3．2 截取系数分析

4．3．3 复杂度分析

4．4 导频污染预编码cell-TPE方法

4．5 仿真结果及分析对比

4．6 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文