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基于随机几何的无小区网络下的有限协作性能分析

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基于随机几何的无小区网络下的有限协作性能分析

作者：姜逸内蒙古大学

学位级别：硕士

随着智能设备的普及和发展,移动通信网络流量呈指数级增长,满足激增流量业务的重要技术手段之一是增加网络中接入节点(Access Point,AP)的部署密度。网络致密化背景下,结合多点协作技术、以用户为中心分簇以及虚拟云的无小区(Cell-Free,... 详细信息

随着智能设备的普及和发展,移动通信网络流量呈指数级增长,满足激增流量业务的重要技术手段之一是增加网络中接入节点(Access Point,AP)的部署密度。网络致密化背景下,结合多点协作技术、以用户为中心分簇以及虚拟云的无小区(Cell-Free,CF)是未来网络的发展趋势。本文基于随机几何知识,在复合信道衰落条件下,对CF场景中的不同分簇方案有限协作的网络建模以及性能分析展开研究。对于基于距离的分簇(Distance-Based Clustering,DBC),本文提出了一种基于随机几何的统一分析架构,重点以平均数据速率作为性能指标研究复合信道条件下簇尺寸、簇半径以及协作阈值对于网络性能的影响。具体的,将固定簇范围内的节点建模为有限齐次泊松点过程(Finite Homogeneous Poisson Point Process,FHPPP),并根据簇内AP数目以及协作模式对用户进行分类,获取了用户关联不同小区的概率。其次,利用高斯埃尔米特积分给出了用户所接收的干扰功率的拉普拉斯变换的闭合表达式,并在此基础上基于全概率公式推导了特定用户的平均数据速率。最后通过蒙特卡洛仿真实验验证了理论仿真的正确性,并分析了AP密度、簇半径、协作阈值以及阴影的对数标准差对于基于距离的分簇方案性能的影响。DBC方案中簇内AP数目由簇半径和AP密度联合控制,为了显式的研究协作AP数目对于以用户为中心的分簇影响,本文将继续研究基于数量分簇(Number-Based Clustering,NBC)的有限协作。首先,将网络中的节点建模为齐次泊松点过程(Homogeneous Poisson Point Process,HPPP),研究基于节点的距离分布和功率比的有限协作,得到了特定用户的协作AP数目的选择概率,并获取了不同用户的平均数据速率。其次,建模并分析了不同协作方案的(不协作、有限协作)性能指标,评估协作方案中协作参数(簇尺寸、协作阈值)与协作性能的关系。最后,通过仿真实验验证了理论推导的正确性。结果表明,协作有利于对抗干扰,参与协作的AP数目越多,对抗效果越明显,考虑协作成本与复杂度,以用户为中心的有限协作将是平衡协作增益与协作成本,改善链路质量,提高系统整体效率的最佳选择。

关键词：无小区基于距离分簇基于数量分簇有限协作随机几何

MIMO⁃NOMA传输机制研究综述:存在问题与新方法探索

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2022年第3期42卷 1-13页

作者：宋荣方王鸿南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003

非正交多址(NOMA)是解决无线系统高谱效和大连接问题的使能技术,但其尚未被5G标准完全接纳。NOMA与大规模多入多出(MIMO)技术相结合,能够优势互补,满足未来无线系统巨流量、大连接需求。文中对现有MIMO⁃NOMA主要传输结构进行综述,从功... 详细信息

非正交多址(NOMA)是解决无线系统高谱效和大连接问题的使能技术,但其尚未被5G标准完全接纳。NOMA与大规模多入多出(MIMO)技术相结合,能够优势互补,满足未来无线系统巨流量、大连接需求。文中对现有MIMO⁃NOMA主要传输结构进行综述,从功率效率、多用户收发联合优化、数据流配置,以及误差传播控制等方面,指出其存在问题。在此基础上,提出群体串行干扰删除(GSIC)新概念与新方法,将其应用于MIMO⁃NOMA系统,以实现MIMO⁃NOMA深度融合传输机制,解决传统结构存在问题。最后展望了无小区、多小区以及智能反射表面(IRS)辅助MIMO⁃NOMA系统中基于GSIC的传输新架构。

关键词：非正交多址多入多出群体串行干扰删除智能反射表面无小区

Cell-Free大规模MIMO下行预编码及功率分配研究

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Cell-Free大规模MIMO下行预编码及功率分配研究

作者：李国宏华南理工大学

学位级别：硕士

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 O... 详细信息

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。

关键词：大规模天线阵列无小区迫零预编码速率分离多址

基于贝叶斯估计的Cell-Free Massive MIMO功率优化

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基于贝叶斯估计的Cell-Free Massive MIMO功率优化

作者：宋言午哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大规模天线阵列作为5G核心技术之一在近些年得到了长足的发展,其基本架构又分为集中式系统和分布式系统两种。分布式中的一种重要架构就是无小区大规模天线阵列,其包含大量在相同时频资源下向相对数量较少的多个用户提供服务的分布式接... 详细信息

大规模天线阵列作为5G核心技术之一在近些年得到了长足的发展,其基本架构又分为集中式系统和分布式系统两种。分布式中的一种重要架构就是无小区大规模天线阵列,其包含大量在相同时频资源下向相对数量较少的多个用户提供服务的分布式接入点,该架构对抗阴影衰落的能力较强,可以极大的提升用户服务质量的公平性。由于大规模天线阵列具有信道硬化特性,平均了信道的小尺度衰落,现有研究多是假设在大尺度衰落已知条件下进行功率优化等信号处理问题,然而无小区大规模天线阵列由于接入点装配天线数目较少,相比于集中式大规模天线阵列信道硬化现象并不显著。因此在大尺度衰落未知条件下的信号处理是目前无小区大规模天线阵列结构中需要研究的问题之一。本文首先分析了无小区大规模天线阵列的基本架构,包括其传输协议和关键技术。论述了在大尺度衰落信息已知时,上行链路训练估计信道信息的方法。给出了接入点装配单天线时用户上下行链路归一化带宽数据传输速率的闭合表达式。随后介绍了贝叶斯估计的基础知识并对其中的粒子滤波算法进行了详细的阐述,探讨了将粒子滤波应用于下行链路功率优化的可能性。最后分析了无小区大规模天线阵列下行链路数据传输的方案,并和small-cell场景的用户服务质量进行对比。然后,本文针对大尺度衰落未知的场景,给出一种信道估计方案。推导接入点装配多根天线时,在此信道估计值的基础上的下行链路归一化带宽数据传输速率的闭合表达式。依据此表达式给出了采用波束赋形预编码时下行链路功率优化方案。随后分析了大尺度衰落在相邻相干间隔内相关性。提出一种基于贝叶斯滤波的功率系数估计跟踪算法。最后通过仿真验证了该算法对用户服务质量公平性的保证性能。最后,本文基于之前对大尺度衰落在相邻相干间隔内的相关性的分析提出一种基于粒子滤波的信道信息估计和跟踪算法。在最大化最小用户信干噪比的功率优化算法中,利用前述方案得到大尺度衰落,提升对最优功率系数的估计精度。通过仿真验证了该算法对用户服务质量公平性的保证性能和对用户移动速度的鲁棒性。结尾总结全文,并给出了无小区大规模天线阵列架构功率优化的一些待解决问题和研究方向。

关键词：大规模天线阵列无小区功率优化贝叶斯估计大尺度衰落