Cell-Free大规模MIMO下行预编码及功率分配研究

作     者：李国宏 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁跃华;林凡

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：大规模天线阵列 无小区 迫零预编码 速率分离多址 

摘      要：第五代移动通信网络(fifth generation mobile network,5G)在我国已经大规模部署,越来越多的用户用上了高数据率、低延时的5G移动网络。后5G和6G的相关研究也提上了日程,无小区(Cell-free)大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)被认为是一项有前景的技术。Cell-free大规模MIMO突破了传统的蜂窝架构,由以小区为中心转变为以用户为中心,网络不再有小区边界,通过接入点之间的相互协作处理,可以显著消除原有的小区间干扰和降低路径损耗,提升系统性能。本文的研究主要集中在该系统的下行预编码和功率分配相关技术。本文首先介绍Cell-free大规模MIMO系统研究进展及其相关理论,以及速率分离多址(Rate-splitting Multiple Access,RSMA)接入技术的原理,并比较了RSMA与空分多址(Space-Division Multiple Access,SDMA)、非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)等接入技术的差异及优势。在此基础上,本文分别研究了无线带(radio stripes)在SDMA和RSMA接入方式下的下行预编码及功率分配,主要贡献如下:第一,针对实际系统部署在无线带配置方案,受限于回传链路有限,完全集中式处理的回传数据会产生误差的情况下,提出一种分布式联合迫零的下行预编码及功率分配方案。同时受完全分布式的正则化迫零预编码的启发,给出一种实用的正则化因子设计方案。仿真表明,两种预编码方案在无导频污染的情况下相较于共轭波束赋形预编码,性能上有不同程度的提升,但还是要逊于回传链路容量无限大情况下的完全集中迫零预编码方案。在有导频污染的情况下,分布式联合迫零预编码出现性能下降甚至逊于共轭波束赋形预编码。第二,本文讨论了大规模用户接入场景下利用RSMA接入时的系统设计,提出了Cell-Free大规模MIMO系统在RSMA接入下采用信道估计的满秩矩阵的加权线性组合进行下行低复杂度公有和私有信息的预编码方案。同时还提出一种基于加权最小均方误差和交替方向乘子法结合的下行最大化系统吞吐量的功率分配方法来代替连续凸逼近算法。仿真表明RSMA接入在特定的接入点和用户分布下相较于SDMA接入能减轻导频污染的影响,并且所提算法相较于连续凸逼近算法大幅减少运算时长的同时只减少较少的性能。最后总结全文,并指出本文的不足和未来有待解决的问题和研究方向。