去蜂窝大规模MIMO的预编码研究

作     者：乔宇飞 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨龙祥

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：去蜂窝大规模MIMO 预编码 导频污染 导频分配 

摘      要：随着移动通信技术的发展,第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication System,5G)已经走进我们的生活。5G使我们从互联网时代进入了物联网时代。5G要求高速率、低时延、广连接,已经应用在我们生活的方方面面。技术总是在不断进步,目前人们对第六代移动通信系统(6th Generation Mobile Communication System,6G)的研究如火如荼,而6G要求真正的万物互联。大量的用户接入使得蜂窝网络架构力不从心,因此更新移动网络架构成了目前的研究热点。去蜂窝大规模多输入多输出(Multi-input Multi-Output,MIMO)系统是后5G和6G技术十分有潜力的架构,它具有很高的频谱效率(Spectral Efficiency,SE)和能量效率(Energy Efficiency,EE),其使用的以用户为中心的思想能够很好满足6G中万物互联的需求。去蜂窝大规模MIMO系统中有很多影响系统性能的因素,如预编码方案、功率分配方法、导频分配算法等因素。本文深入研究了去蜂窝大规模MIMO系统中的下行预编码技术以及导频分配算法。本文分析了去蜂窝大规模MIMO系统中不同预编码的特点,提出了一种可扩展的联合预编码方法;并且针对该方法提出了两种导频分配方案,一种为随机算法的改进,一种为基于模拟退火算法的导频分配方案。论文的具体贡献如下:1)本文分析了去蜂窝大规模MIMO系统中的最大比传输(Max-Ratio Transmission,MRT)预编码,全导频迫零(full-pilot Zero Forcing,fp ZF)预编码,中心迫零(Centralized Zero Forcing,CZF)预编码,联合最大比、迫零(Joint Max-Ratio Zero Forcing,JMRZF)预编码等现有预编码方案,并从预编码方案的实现过程、计算复杂度、下行频谱效率等方面对其进行对比分析。2)为了提高去蜂窝大规模MIMO系统的下行频谱效率,并且保留系统的可扩展性,提出了一种可扩展联合迫零(Scalable Joint Zero-Forcing Precoding,SJZF)预编码方案。仿真结果表明本文提出的SJZF方案的下行频谱效率优于其他预编码方案,接近CZF预编码,同时较CZF预编码方案保留了一定的系统可扩展性。为了提高系统的整体下行频谱效率,本文分析了每种预编码方案下行频谱效率表达式的特点,分析导频污染对下行频谱效率的影响。同时,为了改善导频污染,做了大量的仿真实验,得出多组不同的导频最优分配方案的结果。通过分析这些结果,给出了最优导频分配方案。3)针对随机导频分配的缺点,提出了一种基于平均准则(Average-criterion based Pilot Assignment,AVPA)的随机导频分配方案,该方案能够改善导频污染现象,计算复杂度低。为了更好的改善导频污染现象,提出了一种基于模拟退火算法(Simulated Annealing-based Pilot Assignment,SAPA)的导频分配方案。该方案和AVPA相比性能更好,但计算复杂度更高。为了降低模拟退火算法的计算量,利用总结的最优导频分配方案的特征,对模拟退火算法的扰动算子进行设计,以简化该算法。仿真表明,SAPA基本能够找到导频分配的最优解,同时具有可接受的计算复杂度。