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大规模MIMO系统中的导频分配算法研究

大规模MIMO系统中的导频分配算法研究

作者：高贺北京邮电大学

学位级别：硕士

随着无线通信新的应用场景不断出现,移动通信系统对高数据传输速率、高频谱效率的需求日益增加。大规模MIMO技术可以通过在蜂窝网络基站侧配置大量天线,利用空间自由度提高移动通信系统的传输速率、频谱效率和能量效率等。在大规模MIMO... 详细信息

随着无线通信新的应用场景不断出现,移动通信系统对高数据传输速率、高频谱效率的需求日益增加。大规模MIMO技术可以通过在蜂窝网络基站侧配置大量天线,利用空间自由度提高移动通信系统的传输速率、频谱效率和能量效率等。在大规模MIMO系统中,由于导频资源有限,相邻小区用户之间复用同一导频引起的导频污染问题,成为限制大规模MIMO系统性能的瓶颈之一。本论文选题来源于企业科研合作项目——《新一代网络关键技术与业务分析技术研究》。论文重点研究大规模MIMO系统中的导频分配算法,分别研究了同构蜂窝网络的导频分配问题和异构蜂窝网络的导频分配问题,提出了基于聚类的导频分配(Clustering based Pliot Allocation,CPA)算法和基于贪婪匹配的导频分配(Greedy Matching based Pilot allocation,GMPA)算法。论文主要工作如下:1)本文综述了大规模MIMO系统技术导频污染抑制研究现状。首先给出了大规模MIMO技术优势与关键问题;着重分析了影响大规模MIMO技术优势的导频污染问题并梳理了导频污染抑制技术方向与挑战;围绕本文研究的导频分配技术进行了研究现状综述和问题分析。2)针对已有导频分配方案中导频开销过大的问题,本文提出了基于聚类的导频分配算法。所提算法通过定义与大尺度衰落信息有关的用户干扰强度把用户分为低ICI(Inter-Cell Interference,小区间干扰)组和高ICI组。低ICI组相邻小区中的用户随机复用一组正交导频序列。高ICI组中用户依据相互位置使用聚类算法进行分簇,依据分簇的结果将高ICI组中用户分为两类:同源小区用户簇中的用户,为其分配彼此正交的导频序列;不同源小区用户簇中的用户,保证相互干扰较高的用户之间不复用相同导频序列。仿真结果表明,本文提出的CPA算法在较少的导频开销的前提下可以提高系统最小可达速率等性能,具有较高的导频使用效率。3)针对异构蜂窝网络大规模MIMO系统中干扰复杂且难以衡量的情况,本文提出了基于贪婪匹配的导频分配算法。所提算法通过匹配理论将导频分配问题转化为匹配优化问题,结合贪婪思想寻找次优的导频分配解。对导频问题进行匹配建模时,算法定义多对一匹配概念、匹配交换条件和成对稳定匹配概念;之后利用二分网络映射理论定义用户侧效用函数,通过用户侧和导频侧的效用函数判断匹配交换是否被允许;最后算法结合贪婪思想通过匹配交换寻找成对稳定匹配,获得次优的导频分配解。仿真结果表明,GMPA算法能够有效提升系统频谱效率和导频使用效率等性能。

关键词：大规模MIMO 导频污染导频分配聚类匹配

多小区大规模MIMO系统中基于导频分配的导频污染减轻方法研究

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多小区大规模MIMO系统中基于导频分配的导频污染减轻方法研究

作者：吴永安徽大学

学位级别：硕士

在Massive MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统中,由于基站天线数较多,信道趋于正交,能够抑制部分噪声干扰,便于基站检测发送信号,而这些都需要基站能够获得到准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI)。CSI可由信道... 详细信息

在Massive MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统中,由于基站天线数较多,信道趋于正交,能够抑制部分噪声干扰,便于基站检测发送信号,而这些都需要基站能够获得到准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI)。CSI可由信道估计获得。目前常用的信道估计方法主要是基于导频辅助完成的。在多小区系统中,由于小区之间复用同一套正交导频,由此产生了导频污染,增加了信道估计误差。在通信业务量多的地方,部署半径较小的Massive MIMO蜂窝小区往往才能满足通信需求。由此造成局部区域小区数目较多,中心小区附近有许多干扰小区。随着通信需求的提升,小区半径越来越小,原来由于大尺度衰落而忽略来自中心小区外第二圈小区的干扰实际上仍然存在。传统的导频功率控制减轻导频污染方法忽略来自中心小区外第二圈小区的干扰并不现实,实际上仍然存在较大的导频污染问题。为了解决包含19个小区的多小区系统中小区间存在的导频污染问题,同时尽可能的提高系统的时隙资源利用率,本论文采用两种解决方法,主要内容如下:1.为了方便基站接收端对接收信号的处理,减轻多小区之间的导频污染,采用基于时分复用导频功率控制及正交标识的联合方法。通过导频功率控制将导频时隙分段使各小区导频发射时隙错开以此将全部小区分成不同类型小区,同类小区再通过正交标识进行分组,并把相应的正交标识添加到时分复用导频序列头部,从而让基站能够区分来自不同组小区用户发送的时分复用导频。仿真结果表明,本文所采用的时分复用导频功率控制及正交标识的联合方法可以有效地消除多小区之间的导频污染,方便基站对接收到的导频信号进行处理,实现较为简单。2.针对上述系统中的时分复用导频需要牺牲宝贵的时隙资源,时隙资源利用率不高的问题。本文继续研究了利用叠加导频来减轻导频污染的方法,采用基于迭代信道估计的叠加导频时隙及功率的联合控制方法。主要从叠加导频角度对导频分时隙周期性地叠加在数据上和控制发送信号的功率大小进行研究。通过叠加导频的迭代信道估计方法,降低发送数据对导频的干扰,从而获得较为准确的信道估计信息。仿真结果表明,本文所采用的叠加导频联合控制方法相比传统基于一阶统计特性方法,提高了信道估计精度,并且接近本文所采用的时分复用导频联合方法,有效地降低了多小区之间的导频污染。本文采用的叠加导频联合控制方法与本文采用的时分复用导频联合方法相比,提高了时隙资源利用率,并且适用相干时间较短或者用户数较多即所需导频更长的情况。

关键词：多小区大规模MIMO系统导频污染导频分配时分复用导频叠加导频

基于导频分配的大规模MIMO系统导频污染抑制技术研究

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基于导频分配的大规模MIMO系统导频污染抑制技术研究

作者：曹猛重庆大学

学位级别：硕士

大规模MIMO(massive MIMO)技术在基站侧配置数目庞大的天线,大大提高了系统容量和可靠性,已成为下一代移动通信关键技术之一。受限于相干时间,大规模MIMO系统为各小区分配同一套导频,由此产生了严重的导频污染问题,通过导频分配抑制导... 详细信息

大规模MIMO(massive MIMO)技术在基站侧配置数目庞大的天线,大大提高了系统容量和可靠性,已成为下一代移动通信关键技术之一。受限于相干时间,大规模MIMO系统为各小区分配同一套导频,由此产生了严重的导频污染问题,通过导频分配抑制导频污染是该领域的一个研究热点。论文研究通过合理的导频分配方法减轻导频污染的影响,主要工作有:(1)构建大规模MIMO系统模型,探讨导频污染产生原因、影响及典型抑制方法。引入导频分配矩阵分析导频分配与用户上行渐近信干噪比之间的关系,并通过仿真分析导频污染对系统性能的影响;研究典型导频污染抑制措施,重点对导频分配方法进行分析。(2)针对随机导频分配方法与智能导频分配方法会导致信道质量好的用户性能退化严重的问题,提出一种基于退化的导频分配方法,计算未分配导频用户在分配所有可用导频时的性能退化,通过贪婪算法为退化最严重的用户分配最优导频。仿真结果表明,基于退化的导频分配方法可提高目标小区整体性能,满足更多用户对服务质量的要求,并能有效地对抗阴影衰落对系统带来的不利影响。(3)为了解决信道质量差的用户在利用上述基于退化的导频分配方法时存在性能瓶颈问题,提出一种基于用户分组的导频分配方法,在导频污染抑制与导频开销之间折中,根据用户大尺度衰落因子或路径损耗两个参数作为受导频污染程度的依据,把用户分为中心用户组和边缘用户组。在存在额外导频的情况下,中心用户分配相同导频,边缘用户分配正交导频。为进一步提高该方法的灵活性,论文还提出一种改进方法,通过引入分组参数动态选择各小区的边缘用户。仿真结果表明,通过选取合理的边缘用户数或分组参数,所提方法不但可以解决边缘用户的导频污染问题,还可提升目标小区整体性能。

关键词：大规模MIMO 导频污染导频分配贪婪算法用户分组

基于空间划分的大规模MIMO系统导频分配算法研究

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基于空间划分的大规模MIMO系统导频分配算法研究

作者：莫高行桂林电子科技大学

学位级别：硕士

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术能充分挖掘空间自由度进行空间复用传输,提高频谱效率,并对能量效率实现量级提升,因此成为第五代移动通信(the 5th Generation mobile commnication,5G)的关键性技术之一... 详细信息

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术能充分挖掘空间自由度进行空间复用传输,提高频谱效率,并对能量效率实现量级提升,因此成为第五代移动通信(the 5th Generation mobile commnication,5G)的关键性技术之一。但在大规模MIMO系统中,由于相干时间内的正交导频序列有限,导频不可避免的在相邻小区被复用,导致了导频污染的产生,进而严重影响系统性能。本文主要研究大规模MIMO系统中存在的导频污染问题,在智能天线划分用户小区空间的基础上,利用各类不同的技术,如分数导频复用分配、小区用户导频时隙分组,提出了基于空间划分的分数导频分配方案以及时移联合空间划分的导频分配方案。1.文中首先介绍了大规模MIMO系统中导频污染研究现状,构建蜂窝式系统模型并对上下行数据传输过程进行分析。通过对本领域学者综合文献调研,利用公式推导分析导频污染产生的原因及产生的影响。分析结果表明,当基站的天线数不断增加,导频污染不会随之而减少。在此基础上,构建了智能天线划分小区的系统模型,并对上下行数据传输链路的传输过程进行分析,总结了采用空间划分技术的优点以及不足。2.在智能天线技术从物理空间上划分用户小区,使得每个分区用户只受到一个方向导频污染的基础上,提出了基于空间划分的分数导频分配方案。通过将正交导频序列进行分组划分,再以特定方法给产生干扰的相邻小区里扇形小区分配正交导频子集,来减少目标小区里用户的导频污染。仿真实验结果表明所提的导频分配方案相较于空间划分导频分配能更有效的减少导频污染,提高系统的公平性以及性能。3.通过从发送时间域和物理空间域两个方面进行联合,提出了时移联合空间划分的导频分配方案。分别从时间上来减少导频序列复用的次数,从空间上减少污染产生的源头,从而减少导频的复用干扰,并获得较为精准的信道估计。由仿真实验结果知,所提联合方案可以有效的减少多小区间导频复用带来的干扰,获得准确的信道估计,提高系统的性能。

关键词：大规模MIMO 导频污染导频分配空间划分时移

无小区大规模MIMO系统中导频分配与功率控制研究

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无小区大规模MIMO系统中导频分配与功率控制研究

作者：王志敏南京邮电大学

学位级别：硕士

随着信息的爆炸式增长,频谱资源短缺是阻碍当今通信发展的主要问题之一。无小区大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术结合了传统蜂窝MIMO与分布式MIMO的优点,具有更高的覆盖率及更强的干扰抑制能力,因而成为... 详细信息

随着信息的爆炸式增长,频谱资源短缺是阻碍当今通信发展的主要问题之一。无小区大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术结合了传统蜂窝MIMO与分布式MIMO的优点,具有更高的覆盖率及更强的干扰抑制能力,因而成为B5G与6G的潜在技术之一。本文主要对无小区大规模MIMO系统中接入点（Access Point,AP）的合作程度、导频分配、功率控制等问题展开研究,具体如下:本文根据AP间的合作程度,将无小区大规模MIMO系统的实现分为三个等级,分别为完全本地处理、部分本地处理以及完全集中式处理。完全本地处理中,每个AP首先在其本地进行信道估计与数据预处理,再分别将数据预处理得到的数据信号的估计发送给中央处理单元（Central Processing Unit,CPU）,CPU通过直接对数据信号的估计取平均的方法来进行最终的解码。部分本地处理中,CPU将每个AP发送来的数据信号的估计根据最优权重向量进行线性合并。完全集中式处理方法中,AP将接收到的导频信号与数据信号直接发送给CPU,信道估计与数据处理过程都在CPU中进行,因此AP可以被认为是中继器。本文分析了这三种处理方法下用户的上行频谱效率（Spectrum Efficiency,SE）,并通过仿真对比了AP不同合作程度下使用最小均方误差（Minimum Mean Square Error,MMSE）与最大比合并（Maximum Ratio Combining,MRC）数据处理时系统的性能。最终得出,在相同的数据处理方法下,完全集中式处理优于部分本地处理,部分本地处理优于完全本地处理,并且完全集中式处理方法需要消耗的前传链路资源更少。针对导频污染问题,本文提出了一种基于改进的K-means算法的导频分配方法。此算法在传统的K-means算法基础上增加了实质心选取、孤僻质心转移、聚类密度控制的步骤,使算法的输出更符合本文系统模型的要求。经仿真验证,相比于传统的随机导频分配与随机分组导频分配,此方法能有效的提高系统的和SE。为了进一步提升系统的性能,本文提出了基于差分进化算法的导频分配方法,通过交叉和变异的过程,将导频分配向着最优分配进化,经仿真验证,此算法能够有效的使系统的和SE最大化。针对功率控制问题,本文采用改进的萤火虫算法,以最大化系统和SE为目标,对每个用户的上行数据发射功率进行优化,并将其与全功率发送、粒子群优化（Particle Swarm Optimization,PSO）算法对比。经过仿真验证,本文提出的功率控制算法,不仅可以有效的提升系统和SE,并且具有更快的收敛速度。最后,本文将所提的导频分配算法与功率控制算法结合,对系统进行联合优化,大幅的提升了系统的性能。

关键词：无小区大规模MIMO AP合作导频分配功率控制

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大规模MIMO导频分配研究

大规模MIMO导频分配研究

作者：赵阳阳华北电力大学

学位级别：硕士

在这样一个无线通信技术飞速发展的时代,各种新兴业务接连出现,人们对于移动通信流量的需求呈现指数增长的姿态。大规模多输入多输出(Missive MIMO)技术通过在基站侧部署大量天线,增加天线维度,可以在相同时频资源上服务多个用户,从而... 详细信息

在这样一个无线通信技术飞速发展的时代,各种新兴业务接连出现,人们对于移动通信流量的需求呈现指数增长的姿态。大规模多输入多输出(Missive MIMO)技术通过在基站侧部署大量天线,增加天线维度,可以在相同时频资源上服务多个用户,从而大幅度提高系统频谱效率和信道容量。然而,实现Missive MIMO技术性能优势必须获得准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI),但由于导频资源有限,相邻小区用户之间复用相同导频所引起的导频污染问题严重干扰基站获取准确的CSI。因此,如何抑制导频污染成为Missive MIMO技术研究的一个至关重要的问题。基于导频的信道估计方法,是如今最常用的获取CSI的方式。通过合理的设计导频分配方案,可以显著的降低系统的导频污染。本文从导频分配方案研究入手,设计在保证系统系统性能的前提下,能有效降低导频污染的导频分配方案。首先,系统概述了Missive MIMO系统的发展历程以及关键技术,研究了Massive MIMO系统导频污染产生的原因及其对Massive MIMO系统性能的影响。分析比较了现有的几种抑制导频污染的方法及其优缺点,并概述了各种抑制导频污染方法的国内外研究现状。然后,推导了导频污染对系统产生影响的公式理论依据,并由小区中的用户信干比(SINR)不同,指出传统导频分配方案的不足,引出基于多级软频率复用的分层导频分配方案。该方案根据小区中用户受到的干扰将用户分为边缘用户组和中心用户组,其中相邻小区的边缘用户组使用相互正交的导频序列,而中心用户组复用相同的导频序列,有效改善了边缘用户的通信质量,但增加了导频开销。最后,针对导频开销增加的问题,提出了联合距离因子和用户优先级的导频分配方案。该方案将用户受到干扰的程度用距离因子表示,并且小区内每个用户均有代表其优先级的权值,根据每个用户的距离因子值和优先级权值设置代价函数,决定用户的导频复用度。理论和仿真结果表明,该导频分配方案可以在保证系统性能的情况下,有效减少导频开销。

关键词：大规模MIMO 导频污染软频率复用导频分配频谱效率

大规模MIMO中基于导频分配的导频污染抑制技术研究

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大规模MIMO中基于导频分配的导频污染抑制技术研究

作者：熊灿云重庆大学

学位级别：硕士

大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术利用多径传播来提高系统吞吐量和能量效率,成为了第五代移动通信网络中最有前途的关键传输技术之一。但是在时分双工模式下,受限于信道相干时间,导频数量有限,不同小区的... 详细信息

大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术利用多径传播来提高系统吞吐量和能量效率,成为了第五代移动通信网络中最有前途的关键传输技术之一。但是在时分双工模式下,受限于信道相干时间,导频数量有限,不同小区的用户间导频复用产生的导频污染严重影响了大规模MIMO系统性能的发挥。因此,如何在有限的导频资源下设计可靠的导频污染抑制算法是研究的重点和难点。针对以上问题,论文从导频分配方法的角度出发,设计可行有效的导频污染抑制方案,提高大规模MIMO系统性能。主要工作和内容如下:(1)多小区场景下用户受相邻小区间复用用户的干扰较严重,导致基站接收到的用户信道状态信息(Channel Status Information,CSI)不够准确。针对这一问题,论文提出一种联合用户位置和软导频复用的导频分配算法。根据用户和基站之间的距离以及用户到达角(Angle of Arrival,Ao A)信息设计干扰度量函数,建立所有小区所有用户之间的干扰矩阵。通过比较用户干扰度量值与干扰阈值将用户划分成为外部区域用户和内部区域用户。考虑到小区外部区域用户信道条件不佳,受到小区间干扰较严重的情况,为其分配正交导频;对于内部区域用户,根据所构建的干扰矩阵进行动态导频分配。最后利用基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的信道估计频域后处理方法,消除与目标用户Ao A不重叠的复用用户的干扰。仿真结果表明所提算法在保证用户公平性的同时,还提高了CSI的准确性,从而提升系统性能。(2)大规模MIMO系统中通常假定用户上行导频发射功率相等,这没有利用每个用户功率控制的潜力,导致用户上行频谱效率未达到最优。针对这一问题,论文提出一种联合导频功率控制的图着色导频分配方法。通过建立优化模型,推导用户信干噪比表达式,将优化问题分解成导频分配和功率控制两个部分。对于导频分配,根据图着色理论和用户的Ao A信息构造干扰图,并利用贪婪算法来为用户选择最佳导频。对于导频功率控制,证明了它是一个凸优化问题并通过拉格朗日乘子法来解决该问题以获得系统中所有用户的最优导频功率矩阵。仿真结果验证了所提算法的可行性和有效性。

关键词：大规模MIMO 导频污染导频分配软导频复用功率控制

大规模MIMO系统中基于位置感知的导频分配

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电子技术应用 2017年第8期43卷 12-15,20页

作者：李小文周佳叶颂基王与凡王丹重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

针对大规模多输入多输出(MIMO)系统中存在的导频污染问题,在信道受到赖斯衰落的影响下提出一种基于位置感知的导频分配策略。所提方案利用各小区中用户到达基站的距离将用户分为中心用户和边缘用户两类,对中心用户均进行随机导频分配,... 详细信息

针对大规模多输入多输出(MIMO)系统中存在的导频污染问题,在信道受到赖斯衰落的影响下提出一种基于位置感知的导频分配策略。所提方案利用各小区中用户到达基站的距离将用户分为中心用户和边缘用户两类,对中心用户均进行随机导频分配,对边缘用户遵从使目标小区与干扰小区中边缘用户之间的视距(LOS)干扰度量尽量小的原则进行导频分配来提升系统的上行可达和速率。仿真结果表明,所提的基于位置感知的导频分配方案能够有效地提升大规模MIMO系统的性能。

关键词：大规模MIMO 导频污染位置感知导频分配

大规模MIMO下基于导频分配导频污染抑制技术研究

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大规模MIMO下基于导频分配导频污染抑制技术研究

作者：钱慧杭州电子科技大学

学位级别：硕士

大规模多输入多输出（MIMO）技术可以有效地提升无线系统容量,并且能大幅度地提高频谱利用率,成为了第五代（5G）通信系统的核心技术之一。然而,大规模MIMO通信系统中存在可用正交导频数目有限与移动用户激增之间的矛盾,使得基站进行信... 详细信息

大规模多输入多输出（MIMO）技术可以有效地提升无线系统容量,并且能大幅度地提高频谱利用率,成为了第五代（5G）通信系统的核心技术之一。然而,大规模MIMO通信系统中存在可用正交导频数目有限与移动用户激增之间的矛盾,使得基站进行信道估计的时候,受到复用相同导频序列用户的干扰,这一现象即为导频污染,且这种导频污染无法通过增加天线数目来消除,严重制约整个大规模MIMO通信系统的性能。合理的导频分配技术可在一定程度上减少这种导频污染,因而,本文就此角度展开相应研究,提出了通过导频协调分配来抑制导频污染的方案。本文主要研究内容如下:首先,本文从大规模MIMO技术发展背景入手,简述了现有的导频污染抑制技术,具体分析TDD传输模式下系统的上、下链路数据的传输过程,进而引出导频污染的起因以及对系统性能的不利影响。其次,本文提出了一种基于图着色的半动态导频分配算法。所提算法先基于移动用户信号与干扰加噪声比（SINR）先将各小区用户划分为小区中心用户和小区边缘用户,各小区的小区中心用户采用复用同一组导频序列的静态分配方式,而对小区边缘用户则采用基于图着色的动态分配方式。主要以最大化上行链路中的最小SINR为准则,优先给导频污染相对严重的边缘用户分配可用导频资源中质量较优的导频。仿真结果显示,本文所提的基于图着色的半动态导频分配方式与传统随机导频分配算法以及智能导频分配算法相比,更好地抑制了导频污染,提高了系统的上行可达和速率。最后,本文在导频分配的基础上提出了导频功率分配算法。该算法主要思想是将提高用户上行可达和速率转成一个凸优化问题,通过拉格朗日乘子法获得最优解,并借助注水算法,通过动态设置阈值,最终获得小区各用户导频功率最优分配集。此外,为了避免用户被分配零导频功率,本文进一步提出了进阶注水算法。在此基础上,再对系统内所有用户以小区为单位依次进行合理功率分配以获得最大可达和速率。仿真分析可知,通过对用户功率控制可以实现优化系统性能的目的,与传统的保持用户导频功率一致的分配算法相比,本文提出的功率分配算法在提高小区平均可达和速率方面有很大优势。

关键词：大规模MIMO 导频污染导频分配可达和速率