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大规模MIMO系统导频污染抑制技术的研究

大规模MIMO系统导频污染抑制技术的研究

作者：薛鹏东北电力大学

学位级别：硕士

大规模多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)技术是第五代移动通信(5th Generation Mobile Networks,5G)中的核心技术之一,大规模MIMO技术在用户端和基站端配置大量天线,尤其是在基站端的天线规模可以达到上百根,这样可... 详细信息

大规模多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)技术是第五代移动通信(5th Generation Mobile Networks,5G)中的核心技术之一,大规模MIMO技术在用户端和基站端配置大量天线,尤其是在基站端的天线规模可以达到上百根,这样可以实现空间自由度的获取,能够获得更高的频谱效率和系统容量。但受限于实际通信环境中有限频带资源和固定相干时间的影响,分配给用户用于信道估计的导频序列长度和规模受到限制,不同小区间复用相同导频序列的用户会相互干扰导致导频污染问题的产生。导频污染会影响信道估计的结果,进而影响系统的信号检测和预编码,使通信性能下降。针对大规模MIMO系统的导频污染问题,本课题结合导频优化分配的思想,提出相应的导频污染抑制方法,具体内容如下:(1)提出分组导频复用策略,在各小区内根据用户的信道特性设置分组阈值,将小区内的用户划分为中心用户和边缘用户,通过两次分组调整边缘用户的规模,并使不同小区间的边缘用户数量达到统一,为所有的边缘用户分配相互正交的导频序列,并暂时保持各小区的中心用户原有的导频分配方式。(2)对于分组后的边缘用户,考虑导频开销增加带来的频带资源限制问题,提出边缘用户导频开销优化策略,控制边缘用户分配正交导频序列的数量,结合分析导频污染抑制效果和导频开销限制问题,获取能实现最优性能的最小边缘用户组数目,为对应数目的小区边缘用户分配相互正交的导频序列。(3)对于分组后的中心用户,考虑其仍然存在少量导频污染问题,提出基于蚁群优化的中心用户导频分配策略,建立不同用户间的干扰路径图,将用户间的干扰视为路径长度,将导频污染抑制问题转化为路径优化问题,通过蚁群算法的迭代优化,寻找总长度最短的旅行路线,即总干扰最小的用户组合,为这些用户分配相同的导频序列,即可实现最优的用户导频分配,实现最佳的导频污染抑制效果。仿真结果表明,本课题所提出的方法增加了最多达20%的导频开销,但其性能却能达到更优,选取最优分组参数和最小边缘用户组数后,所提出方法的性能达到了最优。在此条件下,当天线数为512、上行发送功率为15d B时,分组导频复用策略的用户平均可达速率相较于分数导频复用策略和单一导频复用策略分别提升了7.3%和22.7%,而基于蚁群优化的中心用户导频分配策略的相较于加权图着色导频分配策略和单一导频复用策略分别提升了7.7%和27.4%。当两种方法结合后,用户上行平均可达速率再次提升了14.2%和10.2%。此外,在改变天线数等条件后,所提出方法的用户平均可达速率和信道估计均方误差等性能也优于加权图着色导频分配策略、分数导频复用策略等方法。

关键词：大规模多输入多输出系统导频污染分组导频复用蚁群优化导频分配

多用户Massive MIMO系统中的导频污染抑制技术研究

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多用户Massive MIMO系统中的导频污染抑制技术研究

作者：刘见花山东大学

学位级别：硕士

随着移动通信传输需求的增长,MassiveMIMO技术由于其具有数倍提升系统能量效率和频谱效率的能力成为第五代移动通信(5G)的关键技术之一。多用户Massive MIMO通信网络也相应地成为未来5G的典型通信网络。多用户Massive MIMO通信系统的性... 详细信息

随着移动通信传输需求的增长,MassiveMIMO技术由于其具有数倍提升系统能量效率和频谱效率的能力成为第五代移动通信(5G)的关键技术之一。多用户Massive MIMO通信网络也相应地成为未来5G的典型通信网络。多用户Massive MIMO通信系统的性能与系统内用于信道估计的正交训练导频的数量有关,由于系统内正交训练导频的数量受信道相干时间的限制不能满足于庞大的用户数的需求,因此在系统内会不可避免地出现用户复用训练导频的情况从而导致小区间用户的相互干扰,这种干扰被称为导频污染。研究表明导频污染不能够通过增加基站端的天线数目来消除,因此成为限制Massive MIMO系统性能提升的主要问题。论文针对导频污染问题,主要研究了两种抑制多用户Massive MIMO系统中导频污染问题的技术——导频分配技术和导频污染预编码技术。论文的主要工作及创新点总结如下:(1)提出一种兼顾系统整体性能和系统内公平性的导频分配技术方案。现有关于导频分配技术的研究大致分为两类,一类是提升系统整体性能的导频分配技术;另一类是实现系统内公平性的导频分配技术。这两类导频分配技术的研究都存在着不足:提升系统整体性能的导频分配方案以最大化系统和速率为优化目标,在提高系统整体性能时忽略了系统内的公平性;而关注于系统中最小用户速率提升的导频分配方案因过分注重系统内的公平性,大大削弱了系统的整体性能。在现有导频分配技术的研究中,几乎没有一种导频分配技术方案能够实现系统整体性能和系统内公平性的有效兼顾。针对这种不足,论文提出了一种在最大化系统整体性能的同时有效兼顾系统内公平性的导频分配方案。该方案以最大化系统内用户速率乘积的优化准则为基础构建关于导频分配的优化问题,通过基于贪婪策略的用户交换方法(UEBG)以及最小泄露方法(Min Leakage),可以在抑制导频污染的同时实现系统整体性能和系统内公平性的有效兼顾。(2)提出一种基于基站端有限天线情况下最大化系统整体性能的导频污染预编码方案。在实际应用场景中,受天线尺寸和配置难度的限制,基站端不可能实现无穷多的天线配置,在这种情况下,信道中的噪声、信道估计误差、信道间的非正交性以及由于统计信道引发的不确定性等因素相对于导频污染来说都是不可被忽视的因素。现有的基于无穷多天线情况下得到的导频污染预编码在基站天线有限的情况下并不适用,为使导频污染预编码技术更加实用化,论文综合考虑了导频污染及以上所有因素的影响,提出了一种适用于基站端天线数有限情况下,最大化系统整体性能的导频污染预编码方案。该方案可以在有限天线的情况下以有限的复杂度实现系统性能的有效提升,当导频污染比较严重时该方案尤为有效。

关键词： Massive MIMO 导频污染导频分配导频污染预编码整体性能与公平性

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面向5G系统的导频污染与基站节能技术研究

面向5G系统的导频污染与基站节能技术研究

作者：王春梅杭州电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,信息技术的快速发展使得用户对时延、带宽以及可靠性等服务质量(Quality of Service,Qo S)指标的要求越来越高,导致传统的移动通信技术如3G、4G难满足要求,具有大宽带、低时延、大数量接入等优点的5G由此诞生。5G的关键技术有大... 详细信息

近年来,信息技术的快速发展使得用户对时延、带宽以及可靠性等服务质量(Quality of Service,Qo S)指标的要求越来越高,导致传统的移动通信技术如3G、4G难满足要求,具有大宽带、低时延、大数量接入等优点的5G由此诞生。5G的关键技术有大规模多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)和超密集异构网络(Heterogeneous Network,HetNet)等。其中,大规模MIMO技术通过在基站侧配置数量较多的天线,显著地提高了系统性能。但是,由于时频资源有限,不同用户复用相同的导频序列难以避免,导致基站侧无法准确获取各用户的信道状态信息,即产生了导频污染。导频污染并没有随基站天线数的增加而得到有效抑制,严重限制了系统性能的进一步提高,亟待解决。超密集HetNet技术通过合理地部署大量不同功能类型的小基站,如:微基站、家庭基站等,可以有效提高系统的Qo S。但是,部署大量的小基站将加剧网络能耗,因此,实现基站节能具有重要的现实意义。针对上述的导频污染问题和基站能耗问题,本文研究工作如下:首先,针对导频污染问题,介绍了大规模MIMO的技术优势和系统模型,研究了其系统性能,并Matlab仿真分析了导频污染对其系统误比特率(Bit Error Rate,BER)与上行链路可达和速率的影响。针对基站能耗问题,介绍了HetNet的架构特点和各类小基站的功能特点,分析了基站的能耗模型和现有的基站节能的技术,并讨论了HetNet的网络模型。其次,从用导频分配来减轻导频污染的角度,提出了基于遗传模拟退火算法(Genetic Algorithm-Simulated Annealing,GASA)的导频分配方案。该方案综合考虑系统性能和用户公平性,采用分治思想,首先,根据用户位置信息把各小区的用户分成两组,导频也相应地分成两组。位于不同小区且距离相对较远的用户组复用同一组导频。这样基本可以避免相邻小区信号强度较弱的边缘用户使用相同的导频。然后,用GASA算法把每组导频分配给相应用户组内的用户。仿真结果证明所提方案能够有效提高用户的公平性与上行平均可达和速率。最后,从使基站休眠来实现基站节能的角度,提出了基于GASA算法的半动态基站休眠策略。考虑到网络能效主要受限于信道容量较小的基站,为了避免一些不必要的决策,降低算法计算复杂度。首先,根据基站信道容量大小,把宏小区内各微基站的状态分成了工作模式、休眠模式和待决策模式三类。然后,以网络能效最大化为准则,用GASA算法判定状态为待决策的微基站最终是进入休眠模式还是保持工作模式。仿真证明了该策略可以有效地实现基站节能,提高网络能效。

关键词： 5G GASA算法大规模MIMO 导频污染导频分配 HetNet 基站休眠

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大规模MIMO系统的导频污染问题研究

大规模MIMO系统的导频污染问题研究

作者：李玥北京邮电大学

学位级别：硕士

近几年提出的大规模多输入多输出(MIMO)技术,作为第五代无线通信的关键候选技术之一,因其可提供的数据速率和可靠性的显著增量,已经引起同行专家和学者的广泛关注。已有的研究结果表明,大规模MIMO系统具有极高的频率效率和能量效率,可... 详细信息

近几年提出的大规模多输入多输出(MIMO)技术,作为第五代无线通信的关键候选技术之一,因其可提供的数据速率和可靠性的显著增量,已经引起同行专家和学者的广泛关注。已有的研究结果表明,大规模MIMO系统具有极高的频率效率和能量效率,可以在很大程度上提高系统的总容量,同时抑制小区内和小区间的干扰。但是大规模MIMO发挥其优势的前提是系统能够获取精确的信道状态信息。由于系统中导频污染的存在,使得获取精确的信道状态信息变得十分困难,因此导频污染成为了影响大规模MIMO系统的亟待解决的瓶颈问题。本文正是在这种背景下针对大规模MIMO系统中的导频污染问题进行研究。主要工作及创新点如下:1.介绍分析了大规模MIMO系统的概念和特性,为后文减小导频污染的研究奠定了背景知识。接着介绍了大规模MIMO的系统模型和线性预编码方案,然后研究了大规模MIMO系统中不同的信道估计方案的性能。2.针对大规模MIMO系统的导频污染问题,本文研究了小区间偏移导频的传输方案。对比分析了传统的对齐导频传输方案与偏移导频传输方案,结果说明小区间导频偏移相较于传统方案能有效的缓解导频污染问题。3.提出了基于小区分割的导频序列分配的方法,将小区分割为中心区域和边缘区域,边缘区域的用户采用相互正交的导频序列,可以有效的抑制导频污染,中心区域的用户复用同一套导频序列,但采用基于匈牙利算法的导频分配方法,以缓解中心用户的导频污染问题,达到系统总速率的最大化。仿真结果表明本文提出的方案能有效缓解小区间的导频污染,相较于传统方案提高了信道估计的精确度,实现了系统总速率的最大化。

关键词：大规模MIMO TDD 导频污染导频分配

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大规模MIMO中导频污染问题研究

大规模MIMO中导频污染问题研究

作者：杜婷西安电子科技大学

学位级别：硕士

伴随着移动互联网技术的蓬勃发展,人们对网络吞吐量、接入能力和高速率通信的需求也日益增加。传统通信技术无法满足未来通信的巨大需求,大规模MIMO(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技术应运而生,该技术自从被提出就一直是通信行业的热... 详细信息

伴随着移动互联网技术的蓬勃发展,人们对网络吞吐量、接入能力和高速率通信的需求也日益增加。传统通信技术无法满足未来通信的巨大需求,大规模MIMO(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技术应运而生,该技术自从被提出就一直是通信行业的热点研究课题,已成为未来5G通信的关键技术之一。大规模MIMO系统基站端配备有大量的天线,可以同时服务于多个用户终端,得益于大量天线带来的增益。随着基站天线数目的增长,系统表现出了很多传统MIMO不具备的新性质,这些性质可以大幅地提升频谱效率和系统的信道容量,缓解信道噪声带来的影响,也增加大规模MIMO的实用性。但是由于在实际的蜂窝小区中导频资源有限,为了最大化系统容量,各个小区之间进行导频复用,在信道估计的时候,导频复用会引入导频污染,使得大规模MIMO技术的优势受到限制。为了克服导频污染对系统的影响,本文研究了大规模MIMO系统中导频污染抑制技术,提出了一种基于系统容量最大化的导频分配算法,并在此基础上,进一步研究用户发射功率控制技术,最后将两者相结合来充分抑制导频污染。本文主要针对以上几个方面进行研究,所包含的内容主要如下:1.论文在介绍大规模MIMO系统理论的基础上,通过对系统容量进行讨论分析,并重点讨论了系统中导频污染产生来源,通过仿真,验证了由于导频污染给系统带来的影响,引出了抑制导频污染的必要性。2.在介绍传统导频污染抑制方法的基础上,对现有几种导频污染抑制方法进行了讨论和分析。针对现有几种导频污染抑制方法的不足,通过分析多小区多用户大规模MIMO系统模型,提出了一种低复杂度的导频分配方法,该方法能够以较低的复杂度获得接近最优的系统性能。本文提出的导频分配方法,克服了现有几种方法的不足之处,通过仿真表明了所提出方法能有效地提升系统容量,降低导频污染带来的影响。3.论文通过对多小区多用户大规模MIMO系统模型分析,在进行导频分配的基础上进行了功率控制。对经过导频分配改善了通信质量但仍达不到正常通信的用户,进行适当地功率调整,对于达到正常通信的用户,需要尽可能小的功率保证其达到其目标信噪比。最后仿真实验也验证了在导频分配的基础上进行功率控制,能够提高系统性能,进一步降低导频污染带来的影响。

关键词：大规模MIMO 导频污染导频分配功率控制

面向5G的大规模MIMO系统导频污染问题研究

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面向5G的大规模MIMO系统导频污染问题研究

作者：付香香西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着高科技的飞跃发展,信息时代正发生着翻天覆地的变化。用户数量大幅度增加,数据流量增长态势迅猛,业务需求越来越多样化,用户体验质量也要求越来越高,这也不断推动着下一代无线通信技术的迅猛发展。大规模MIMO系统在能量效率、通信... 详细信息

随着高科技的飞跃发展,信息时代正发生着翻天覆地的变化。用户数量大幅度增加,数据流量增长态势迅猛,业务需求越来越多样化,用户体验质量也要求越来越高,这也不断推动着下一代无线通信技术的迅猛发展。大规模MIMO系统在能量效率、通信容量、鲁棒性等众多方面亮点突出,成为了5G中备受关注的新技术之一。目前针对大规模MIMO系统的研究主要是在TDD模式中进行的,也就是用户发送上行导频序列,基站接收导频信号并进行信道检测,利用TDD模式中信道的互易性得到下行信道信息。但是在实际的通信系统中,信道环境复杂多变,信道相干时间有限,系统中可用的导频序列数目受到限制。不同的蜂窝小区之间就会复用相同的导频而产生干扰,即导频污染,那么想要获取准确的信道信息就变得比较困难。导频污染并不会随着基站配备的天线数的增多而得到抑制,因此就成为了制约大规模MIMO系统性能提升的一大障碍。本文针对大规模MIMO系统中的导频污染问题,旨在从导频分配的角度抑制导频污染的影响。利用不同的技术手段,分别从博弈论和图着色角度提出了两种导频资源分配策略。主要内容如下:(1)利用博弈论技术,将导频分配看作是基站端的博弈过程,提出了一种基于非合作博弈的导频分配方案。利用大尺度衰落系数来衡量用户彼此间的干扰强度,以最小化系统内复用相同导频产生的干扰为目标进行博弈。构造了基于最小化干扰的博弈效用函数,此函数不仅考虑了小区中用户经受的干扰,也同时考虑了对其邻近小区用户造成的干扰。分析了该博弈过程的稳定性,提出了基于非合作博弈的导频分配算法。仿真结果表明,所提的基于非合作的导频分配方案可以有效的减小系统中的导频污染,提高用户上行信干噪比。(2)利用图着色技术,将导频分配看作是图的着色问题,提出了一种基于图着色的导频分配策略。根据不同小区用户间的相互干扰构建加权边干扰无向图,以最大化用户上行信干噪比为目标,在导频数受限的情况下,利用图着色理论,为顶点的度大的用户优先分配导频,并且分配当前已使用次数最少的导频序列。仿真结果表明,所提的基于图着色的导频分配方案可以有效提高用户上行信干噪比。(3)比较了本文所提出的两种导频分配方案。分析结果表明,基于非合作博弈的导频分配方案比基于图着色的导频分配方案的用户上行信干噪比要高,但基于图着色的导频分配方案的复杂度比基于非合作博弈的导频分配方案的复杂度低。

关键词： 5G 大规模MIMO 导频污染导频分配博弈论图着色

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大规模MIMO系统中的导频调度算法研究

广东通信技术 2018年第2期38卷 35-40,52页

作者：吴灿骆楷李同会重庆邮电大学通信与信息工程学院

大规模MIMO多小区系统时分双工(Time Division Duplex,TDD)模式中,导频污染问题是影响系统性能的一个重要因素。导频污染是由系统中不同的小区复用同一组导频序列而引起的。我们提出一种自适应导频调度算法(Adaptive Pilot Scheduling,A... 详细信息

大规模MIMO多小区系统时分双工(Time Division Duplex,TDD)模式中,导频污染问题是影响系统性能的一个重要因素。导频污染是由系统中不同的小区复用同一组导频序列而引起的。我们提出一种自适应导频调度算法(Adaptive Pilot Scheduling,APS)来减轻导频污染。所提算法是通过利用基站处的大尺度衰落因子将小区划分为高干扰用户和低干扰用户,低干扰用户复用相同的一组导频序列,高干扰用户使用互相正交的导频序列。最后,数值结果表明,我们所提的算法与传统随机分配导频序列的方案相比,可以显著提高频谱效率和最小可达速率。

关键词：大规模MIMO系统导频污染导频分配最小可达速率

RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO关键技术研究

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移动通信 2024年第4期48卷 18-26,40页

作者：张德坤白宝明西安电子科技大学空天地一体化综合业务网全国重点实验室陕西西安710071 中兴通讯股份有限公司西安研发中心陕西西安710111

针对密集蜂窝组网干扰受限难题,无蜂窝大规模MIMO利用大规模宏分集,构建以用户为中心的新架构,大规模灵活协作显著提升每个用户性能。同时,无蜂窝辅以智能超表面技术,以低成本和低功耗极大提升网络容量。聚焦研究了RIS辅助的无蜂窝大规... 详细信息

针对密集蜂窝组网干扰受限难题,无蜂窝大规模MIMO利用大规模宏分集,构建以用户为中心的新架构,大规模灵活协作显著提升每个用户性能。同时,无蜂窝辅以智能超表面技术,以低成本和低功耗极大提升网络容量。聚焦研究了RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO天线校准和导频分配两个关键问题。针对大规模RAU校准难题,首先在最低校准信噪比和校准相干时间约束下,提出动态分簇的可自愈校准拓扑构建方法,然后为降低校准时域开销,设计了RAU簇内和簇间校准时序,研究了可扩展的天线校准算法,能实现任意多RAU联合相位校准。针对导频分配问题,首先提出基于空间高相关性的用户动态簇的构建新方法,然后提出用户簇内基于信道相关性最低和用户簇间最小复用概率的导频分配方法。仿真结果表明,提出的校准算法具有较小的校准误差和较好的扩展性。同时,提出的导频分配算法性能可逼近最大化容量导频分配算法,且复杂度大幅降低。

关键词：无蜂窝大规模MIMO 分簇拓扑构建互易性校准用户动态簇导频分配

一种面向导频污染消除的分布式massive MIMO系统信道估计算法

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中国传媒大学学报（自然科学版） 2023年第2期30卷 1-8,43页

作者：孟阔杨少石北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876 泛网无线通信教育部重点实验室北京100876

针对分布式massiveMIMO系统的导频污染问题,本文提出了一种基于子空间结构化协方差的信道估计算法。该算法利用分布式massiveMIMO系统的空间位置特征,基于时延-多普勒-角域信道支持非重叠特性进行导频污染消除。然后,针对所提出算法本... 详细信息

针对分布式massiveMIMO系统的导频污染问题,本文提出了一种基于子空间结构化协方差的信道估计算法。该算法利用分布式massiveMIMO系统的空间位置特征,基于时延-多普勒-角域信道支持非重叠特性进行导频污染消除。然后,针对所提出算法本文还设计了一套导频分配方案,以降低重叠信道支持对导频污染消除性能的影响。通过理论证明和仿真分析表明,所提算法具有比有代表性的基线方案更好的性能。

关键词：信道估计分布式massiveMIMO 导频污染导频分配