大规模MIMO通信系统中信号干扰抑制及系统性能研究

摘要

无线通信数据量的爆炸式增长和无线连接数量的极度增加，使得频谱资源的有限性和人们对无线通信服务需求之间的矛盾越发突出。在此背景下，大规模MIMO技术在2010年被Thomas.L.Marzetta等人提出后受到广泛关注。前期研究证实该技术通过充分挖掘空间自由度能够极大地提升频谱资源的利用效率，与此同时在能量效率方面和当前无线通信系统相比也存在几个量级的提升空间。因此，大规模MIMO技术成为第五代(5G，the Fifth Generation)移动通信系统中具有潜力的备选技术之一。但是，大规模MIMO多小区系统中小区间导频信号的干扰成为系统性能提升的瓶颈。因此，本文主要研究大规模MIMO多小区系统中导频信号干扰减轻问题，并提出几种抑制导频污染的方案，以期提升大规模MIMO系统的性能。本文主要的研究工作从以下方面展开:
　　1.基于“注水算法”原理的导频智能分配方案
　　大规模MIMO系统中用于信道估计的正交导频的数量受限于信道的相干时长。同一组正交导频在所有小区间的复用造成复用导频之间的信号干扰，即导频污染。该问题成为大规模MIMO多小区系统性能提升的瓶颈。然而，不同终端对应信道的通信质量是不同的，不同的导频受相邻小区中复用导频的干扰程度也存在差异。因此，本文提出一种基于“注水算法”思想的导频智能分配方案。根据终端信道质量和导频受干扰的程度将导频和终端按“注水算法”思想进行智能配对，达到减轻整个系统导频污染、优化导频资源利用率的目的。实验证明，此方案在牺牲少数信道质量极差终端性能的情况下，极大提升了系统整体的数据容量。
　　2.基于粒子群优化算法的导频智能快速分配方案
　　大规模MIMO多小区系统中导频智能分配方案能够有效的抑制系统整体的导频污染。但是，导频智能分配的运算复杂度与终端数量正相关。例如，10个终端10个正交导频的情况下，终端和导频的配对方案多达10!=3628800种。为了降低导频智能分配方案的运算复杂度，本文提出一种基于粒子群优化算法的智能导频快速分配方案。利用粒子群优化算法进行导频智能寻优分配过程中所有粒子之间信息即时共享的特性，有助于快速寻找到终端和导频之间最佳的配对方案，在降低导频智能分配过程运算复杂度的同时减轻系统的导频污染。实验结果证明此方案在抑制导频污染和降低导频智能分配过程中运算复杂度方面的有效性。
　　3.基于终端分层及层间导频异步发送的方案
　　相邻小区间复用导频导致的导频污染对小区中心处终端和边缘处终端的影响是不同的。基于此本文提出一种终端分层小区间边缘终端簇导频异步发送的方案。在此方案中将终端分层，各小区内受干扰程度小的中心终端簇同时发送上行导频，而不同小区内受导频污染严重的边缘终端簇在互不重叠的时隙内发送上行导频。实验证明，该方案可以有效的减轻导频污染对整个系统的影响。但是此方案中存在一个小区内的边缘终端与相邻小区内中心终端复用导频的情况，因此不同小区内边缘终端簇和中心终端簇之间仍然存在导频干扰。为了减轻此部分导频污染，本文又提出一种改进的终端分层及不同终端簇上行导频、下行数据对齐发送的方案。利用上行导频与下行数据之间不相关的特性，通过不同终端簇间上行导频、下行数据交叉发送的方式，导频污染可以得到进一步减轻。实验证实改进的方案比前一种方案在减轻导频污染提高系统性能方面更有优势。
　　4.基于小区分簇导频异步发送及导频功率控制的方案
　　对大规模MIMO多小区系统的小区进行分簇，不同小区分簇内终端以异步的方式轮流发送上行导频。此方案通过将导频污染压缩到同分簇内部小区之间达到减轻整个系统导频污染的目的。显然，小区分簇数量越多导频污染的影响就越小，但是分簇越多一个相干时长内上行数据的发送时间就越被压缩，所以并非小区分簇数量越多系统的整体性能就越好。合理的小区分簇策略对于此方案性能的发挥是至关重要的。本文从上行和下行综合角度考虑有效数据的发送并得到合适的小区分簇策略，从而在减轻导频污染和提升系统整体性能两个方面找到平衡点。实验证实了理论得出的最佳小区分簇因子的有效性。另外，由于此方案中同分簇内部小区之间仍然存在导频污染问题，本文将导频发送功率控制引入到小区分簇导频异步发送方案中，通过控制导频发送功率从而减轻小区分簇内部各小区之间的导频污染，实验仿真证明了该方案在减轻导频污染方面的优势。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景

1．2 大规模MIMO技术的发展和性能优势

1．2．1 大规模MIMO技术的发展历程

1．2．2 大规模MIMO的技术优势

1．2．3 大规模MIMO系统面临的技术挑战

1．3 大规模MIMO系统中的导频污染问题研究

1．3．1 理论分析导频污染产生的原因

1．3．2 导频污染对系统性能的影响

1．4 大规模MIMO系统中导频干扰抑制国内、外研究现状

1．5 本论文的主要研究内容

1．6 本论文的贡献和创新点

1．7 本论文的章节安排

2 基于注水算法原理的导频智能分配方案研究

2．1 大规模MIMO系统模型

2．1．1 大规模MIMO系统模型

2．1．2 大规模MIMO系统的信道模型

2．2 大规模MIMO系统通信容量研究

2．2．1 上行传输数据容量研究

2．2．2 下行方向数据传输速率研究

2．3 信道质量和导频污染程度的差异性研究

2．3．1 不同终端对应的信道质量差异性分析

2．3．2 小区间不同的复用导频受干扰程度差异性研究

2．3．3 不同的导频分配方案对系统性能的影响

2．4 基于注水算法原理的智能导频分配策略

2．4．1 注水算法原理介绍

2．4．2 注水算法原理的理论分析及应用

2．4．3 采用注水算法原理进行导频的智能分配策略

2．5 实验仿真分析

2．6 本章小节

3 基于粒子群优化算法的智能导频快速分配方案研究

3．1 粒子群优化算法

3．1．1 粒子群优化算法原理

3．1．2 粒子群优化算法理论分析

3．2 基于粒子群优化算法的智能导频快速分配方案

3．2．1 利用粒子群优化算法智能分配导频序列

3．2．2 论证利用粒子群优化算法智能分配导频的有效性

3．3 实验仿真和性能比较

3．4 智能导频分配方案的运算复杂度比较

3．5 本章小节

4 基于终端分层及导频异步发送的导频污染减轻方案研究

4．1 大规模MIMO多小区系统中终端分层研究

4．1．1 小区中终端分层的理论依据分析

4．1．2 大规模MIMO多小区系统中终端分层的充要条件研究

4．2 小区间边缘终端簇导频异步发送方案研究

4．2．1 导频发送时间片段和不重叠时隙分配

4．2．2 小区间边缘终端簇导频异步发送方案

4．2．3 边缘终端群导频异步发送方案中的能耗分析

4．3 实验仿真分析

4．4 基于终端分层及层间上行导频与下行数据对齐发送方案研究

4．4．1 小区内部终端簇间上行导频和下行数据对齐发送方案

4．4．2 终端簇间上行导频、下行数据对齐发送方案性能分析

4．5 实验仿真分析

4．6 本章小结

5 基于小区分簇及导频功率控制的导频污染减轻方案研究

5．1 大规模MIMO系统中小区交错分簇上、下行异步发送方案

5．1．1 小区分簇上行导频、下行数据异步发送方案理论分析

5．1．2 小区分簇上行导频、下行数据异步发送方案的缺陷

5．2 最佳小区交叉分簇策略探索研究

5．2．1 小区分簇数据异步发送方案中最佳小区分簇因子理论分析

5．2．2 最佳小区分簇因子的求解及系统性能分析

5．3 实验仿真分析

5．4 基于小区交叉分簇导频异步发送及导频功率控制的方案

5．4．1 小区交叉分簇方案研究

5．4．3 终端发送导频功率控制研究

5．5 实验仿真分析

5．6 本章小结

6．1 论文工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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