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Interference Coordination for fd-mimo Cellular Network with D2D Communications Underlaying

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China Communications 2018年第12期15卷 75-88页

作者： Xiao Li Nana Qin Tingting Sun National Mobile Communications Research Laboratory Southeast University

In this paper, we investigate the interference coordination for downlink full-dimension multiple-input multiple-output(fd-mimo) systems with device-to-device(D2 D) communications underlaying. With three-dimensional(3 D) beamforming transmission applied for cellular users(CUEs), an approximation of the interference to signal ratio for CUEs is derived, and a coordination strategy is proposed to mitigate the interference from D2 D pairs to CUEs. Based on the lower bound of the interference to signal ratio for D2 D pairs, we propose coordination strategies for D2 D pairs to mitigate the interference caused by base station(BS) and the interference between D2 D pairs. The proposed strategies require only some statistical channel state information(CSI) of each user and the reduced-dimensional effective CSI of a few CUEs and D2 D pairs. Simulation results show that the proposed coordination strategy performs well in terms of achieving good tradeoff between the achievable rate of CUEs and D2 D pairs.

关键词： D2D fd-mimo 3D beamforming interference coordination

基于fd-mimo雷达通信一体化系统的波形设计与性能仿真

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基于FD-MIMO雷达通信一体化系统的波形设计与性能仿真

作者：陈强南京大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,各式各样的车载通讯设备以及雷达监测设备层出不穷。为同时实现通信和探测感知功能,需要将这些设备集成在较小的车载空间中。众多电子设备位置过于接近会彼此间产生电磁干扰,从而影响通信设备和雷达设备各自的性能... 详细信息

随着科学技术的发展,各式各样的车载通讯设备以及雷达监测设备层出不穷。为同时实现通信和探测感知功能,需要将这些设备集成在较小的车载空间中。众多电子设备位置过于接近会彼此间产生电磁干扰,从而影响通信设备和雷达设备各自的性能。雷达通信一体化技术可以消除不同设备之间的干扰,达到让各种电子设备协同运行工作的目的。长期以来,通信技术和雷达技术都是被区分开来单独研究的,但是两者不论是从基本数据处理结构还是从工作频率来看,都有很多相似的地方,这为研究雷达通信一体化技术提供理论依据。本文主要研究了基于相位调制和频率分集多输入多输出(Frequency Diversity Multi-input Multi-output,fd-mimo)的雷达通信一体化系统,首先简要介绍了相位调制和频率调制的原理和实现方法,并仿真分析了传统mimo雷达和fdmimo雷达在波束图上的不同,进而提出了基于发射波束成形的fd-mimo雷达通信一体化系统模型,基于匹配滤波后信号分析了雷达的估计性能和通信的传输速率。在雷达性能方面利用雅可比矩阵分析推导得到了雷达检测目标距离和角度时克拉美罗下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)的闭式解,在通信性能方面推导了通信端的输出信噪比、信道容量以及传输速率等关键性指标,然后根据发射端波束成形向量要求给了一组符合要求的波束成形向量分别仿真了雷达探测性能和通信接收性能。最后根据已知的雷达输出端信号分别采用了经典MUSIC算法以及稀疏重构算法进行距离角度联合估计,得到了两种算法的参数估计仿真结果图,根据两个算法的仿真结果验证了这两种估计算法可行性的结论。然后选择均方误差这个指标来分别分析MUSIC算法和稀疏重构算法的估计性能,并得到最终的均方误差随信噪比变化的曲线图。

关键词：雷达通信一体化 fd-mimo 克拉美罗下界(CRLB) 均方误差(MSE) 性能分析

三维统计信息辅助的fd-mimo自适应传输及干扰协调

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三维统计信息辅助的FD-MIMO自适应传输及干扰协调

作者：李朝松东南大学

学位级别：硕士

近年来,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,mimo)被认为是未来提高无线通信系统容量和可靠性的关键技术之一,受到来自学术界和工业界广泛的关注。大规模mimo技术能够充分挖掘利用空间资源,达到复用时频资源、增强信号... 详细信息

近年来,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,mimo)被认为是未来提高无线通信系统容量和可靠性的关键技术之一,受到来自学术界和工业界广泛的关注。大规模mimo技术能够充分挖掘利用空间资源,达到复用时频资源、增强信号、抑制干扰的目的,可以有效的提高系统频谱利用率和功率效率。然而,大规模mimo的实现面临着一些挑战。首先,主要挑战之一是基站端信道状态信息获取困难。对于频分双工(Frequency Division Duplexing,fdD)系统,由于下行训练成为瓶颈,并且随着基站天线数和用户数增加时,瞬时信道状态信息(Channel State Information,CSI)的反馈将会产生巨大开销。利用统计信道状态信息进行系统设计是克服这一困难的有效可行方法。大规模天线阵列的部署是另一个主要挑战,基站端部署的天线数受基站空间限制,若采用传统的均匀线性天线阵列(Uniform Linear Array,ULA),需要占用大量空间,难以实现。克服这一困难的一种有效途径是将天线部署在二维区域,称为全维mimo(Full-Dimension mimo,fd-mimo)或三维mimo(Three-Dimension mimo,3D-mimo)。因此,本文针对基站部署二维均匀平面天线阵的fd-mimo系统,研究利用统计信道状态信息的自适应传输及干扰协调方法。首先,针对在基站端部署二维天线阵列的fd-mimo单小区系统,介绍了利用统计CSI的下行自适应传输方案及用户调度方法。利用Mullen不等式得到用户平均信漏噪声比(Signal-to-Leakageand-Noise-Ratio,SLNR)的一个简单闭式下界,在最大化用户平均SLNR下界的准则下,得出基站应选择最强水平特征方向或者最强垂直特征方向正交的用户进行服务,进而得到一种低复杂度的三维(Three-Dimensional,3D)预波束赋形空分多址传输方法。仿真结果表明,当瞬时CSI质量较差时,仅利用统计CSI的3D预波束赋形传输方法的性能可与迫零(Zero-Forcing,ZF)和匹配滤波(Matched Filter,MF)预编码传输方法相比,甚至更优,且对于fdD系统,所需要的反馈开销更低。其次,针对宏蜂窝基站配置大规模二维天线阵列而微蜂窝基站配置一般天线阵列的异构网络(Heterogeneous Networks,HetNets),研究了仅利用统计CSI的下行传输方案和层间干扰协调策略。首先推导得到宏蜂窝用户信干噪声比(Signal-to-Interference-Plus-Noise-Ratio,SINR)的一个简单近似表达式和微蜂窝用户平均SINR的一个闭式下界。然后,在最大化宏蜂窝用户SINR近似表达式的准则下,将fd-mimo同构网络中的3D预波束赋形空分多址传输方法推广至异构网络。在此基础上,利用所得宏蜂窝用户SINR的近似及微蜂窝用户平均SINR的下界,得到仅利用部分统计CSI的层间干扰协调方法。进而,推导出基于3D波束赋形的异构网络中宏蜂窝用户和微蜂窝用户遍历速率的闭式近似表达式。仿真结果表明所提出的下行传输方法和干扰协调策略可以较好的平衡宏蜂窝和微蜂窝的性能。最后,针对多小区fd-mimo系统,研究了平衡用户公平性及可达速率的多小区下行传输和干扰协调方法。首先,将3D预波束赋形传输方法推广至fd-mimo多小区下行传输系统中的各小区,并为每个用户引入优先级。从而,得到基于优先级的3D波束成型下行传输方法,提高用户公平性。进而,利用各用户统计CSI将各小区内用户划分为中心用户和边缘用户,并仅对边缘用户进行干扰协调,从而降低小区间信息交互量及复杂度。在此基础上,利用平均干扰与信号比的闭式下界,提出综合利用优先级及统计CSI的简单干扰协调策略。所提方法复杂度低,所需反馈开销及信息交互量小。仿真结果表明所提出的下行传输方法和干扰协调策略有效提高了边缘用户速率及平均用户速率,且具有较好的公平性。

关键词： fd-mimo 统计信道状态信息自适应传输干扰协调

基于三维统计信息的fd-mimo下行传输及干扰协调

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基于三维统计信息的FD-MIMO下行传输及干扰协调

作者：秦娜娜东南大学

学位级别：硕士

近年来,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,mimo)技术因其能够充分挖掘利用空间资源,提高系统频谱利用率及能量效率而受到业界广泛的关注。然而,大规模mimo系统的应用面临诸多挑战,其中之一就是实际部署问题。由于基... 详细信息

近年来,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,mimo)技术因其能够充分挖掘利用空间资源,提高系统频谱利用率及能量效率而受到业界广泛的关注。然而,大规模mimo系统的应用面临诸多挑战,其中之一就是实际部署问题。由于基站所能配置的天线数受到基站空间以及载波频率的限制,为克服有限的空间对大规模mimo无线通信系统的限制,并进一步挖掘利用垂直维度空间资源,将天线部署在二维区域的全维mimo(Full-Dimension mimo,fd-mimo)或三维mimo(Three-Dimension mimo,3D-mimo)技术成为研究热点。大规模mimo系统所面临的另一个挑战是基站端信道状态信息(Channel State Information,CSI)的获取,尤其当应用于中高速移动通信场景及频分双工(Frequency-Division-Duplex,fdD)模式。克服这一困难的一个有效方法是利用信道的二阶统计CSI。因此,本文针对在基站端部署二维均匀平面天线阵的fd-mimo通信系统,开展利用统计信道状态信息的下行自适应传输及干扰协调策略的研究。首先,针对单小区fd-mimo系统,利用fd-mimo信道统计模型及其新特性,实现了下行自适应传输及用户调度方法。充分利用fd-mimo系统水平及垂直方向的二阶统计信道状态信息,在用户平均信漏噪比(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio,SLNR)下界最大化的准则下,实现了一种具有低复杂度的三维(Three-Dimensional,3D)波束成形下行传输方法。仿真实验结果表明,在信道瞬时CSI质量较差时,仅利用统计CSI的3D波束成形下行传输方法同传统的匹配滤波(Matched Filter,MF)以及迫零(Zero-Forcing,ZF)预编码方法相比更具鲁棒性,所需要的信道反馈开销相对较少。其次,针对fd-mimo蜂窝与D2D(Device-to-Device,D2D)通信混合网络系统,研究下行传输方案和网络间干扰协调策略。首先,针对层间干扰,基于前述fd-mimo下行通信系统的3D传输方法,推导出仅与统计CSI相关的蜂窝用户与D2D用户间干扰与信号比的简单近似表达式,由此提出仅利用统计CSI来降低D2D通信网络对蜂窝用户的干扰的协调策略,以及同时利用统计CSI和部分等效CSI进行蜂窝用户对D2D通信对干扰协调的策略。另一方面,针对层内干扰,基于推导得到的D2D通信对间干扰信号比的下界,提出D2D通信对间的干扰协调策略。在所提协调策略中,基站端仅需已知每个用户的统计CSI以及少量用户的降维等效CSI,有效减少了基站端CSI反馈以及系统数据交互开销。仿真结果表明所提出的干扰协调算法在提升系统整体和速率及D2D用户性能上有很好的折中,且在边缘用户性能提升上表现出色。最后,针对多小区fd-mimo系统,结合分数频率复用(Fractional Frequency Reuse,FFR)与协作传输两种策略的优点,研究多小区fd-mimo系统下行传输和干扰协调方法。首先,提出一种多小区fd-mimo系统的FFR框架,利用统计CSI对各小区进行小区中心用户及边缘用户的划分,所有中心用户共享相同频段,边缘用户共享相同频段。进而,基于所提出的FFR框架,提出两种基于信号与干扰比(Signal-to-Interference Ratio,SIR)的联合3D波束成形传输及干扰协调算法:全协作干扰协调算法以及部分协作干扰协调算法,以消除边缘用户的小区间干扰。在全协作干扰协调方法中,所有基站对调度边缘用户进行协作传输,而在部分协作干扰协调方法中,仅满足条件的部分基站提供协作传输服务。在所提协调策略中,基站端仅需已知统计CSI,有效减少了基站端CSI反馈以及系统数据交互开销。仿真结果表明所提出的下行传输方法和干扰协调策略有效提高了边缘用户速率及平均用户速率。

关键词： fd-mimo 统计信道状态信息自适应传输干扰协调

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基于行列式的预编码码字选择方法

电子科技大学学报 2020年第1期49卷 22-27页

作者：王海泉李国彬郑思思沈雷杭州电子科技大学通信工程学院

提出了一种应用于fd-mimo有限反馈系统的预编码设计方案,该方案充分利用信道分解后的特征向量,能够更准确地反映信道特征信息,通过提出的行列式选码准则进行垂直与水平方向上码字的选择,并构成克罗内克(Kronecker)积形式的码字结构,同... 详细信息

提出了一种应用于fd-mimo有限反馈系统的预编码设计方案,该方案充分利用信道分解后的特征向量,能够更准确地反映信道特征信息,通过提出的行列式选码准则进行垂直与水平方向上码字的选择,并构成克罗内克(Kronecker)积形式的码字结构,同时还给出了确定合理反馈开销的具体公式。仿真结果表明,反馈开销确定公式与预期结果相吻合,在相同条件下,该方案均能选出更为准确的码字,在系统整体性能上较现有方法有更好地提升。

关键词：选码准则 fd-mimo 有限反馈系统预编码

Full-Dimension mimo干扰抑制技术研究

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Full-Dimension MIMO干扰抑制技术研究

作者：高程北京邮电大学

学位级别：硕士

面向2020年及未来,移动互联网、物联网业务将成为推动移动通信发展的主要力量。为了应对移动互联网和物联网业务的挑战,5G应运而生。作为5G的关键技术之一,全维多天线(Full-Dimension mimo, fd-mimo)综合利用水平维度和垂直维度的信息,... 详细信息

面向2020年及未来,移动互联网、物联网业务将成为推动移动通信发展的主要力量。为了应对移动互联网和物联网业务的挑战,5G应运而生。作为5G的关键技术之一,全维多天线(Full-Dimension mimo, fd-mimo)综合利用水平维度和垂直维度的信息,能够更好地区分用户,有效地降低干扰,同时能够提高天线增益,为系统提供更高的容量,满足人们日益增长的容量需求。在RAN #65会议上,3GPP正式对fd-mimo立项,重点研究信道状态信息参考信号(Channel State Information-Reference Signals,CSI-RS)测量以及信道状态信息(Channel State Information,CSI)反馈等。在低速场景下,参考信号的信道估计精度主要受干扰的影响,主要包括邻小区参考信号干扰和小区内参考信号干扰;在高速场景下,由于用户移动速度很快,信道状态变化过快,反馈的CSI并不能精确地反映用户当前的信道状态,这将会导致错配的预编码策略,不仅导致对其他用户的干扰增大,也使自身的服务质量大大下降。因此,研究低速和高速场景下参考信号干扰抑制对于提高系统性能具有重要意义。本论文的主要研究内容如下:1.针对相同CSI-RS配置下的邻小区参考信号干扰抑制研究,提出了一种基于波束赋形CSI-RS的动态端口选择方案,用户使用ZP CSI-RS测量并反馈邻小区参考信号使用情况,基于邻小区参考信号使用情况,在本小区内使用博弈算法分配CSI-RS资源。该方案可以有效地解决邻小区参考信号干扰问题。仿真结果表明,所提算法在不同CSI反馈周期下,都能够很好地解决相同CSI-RS配置下的邻小区参考信号干扰问题,提高用户吞吐量;当小区内要求服务的用户增多时,所提算法的性能增益会更加明显。2.针对不同CSI-RS配置下的邻小区参考信号干扰抑制研究,提出了一种基于波束赋形CSI-RS的动态资源利用开关方案,基站通过收集邻小区CSI-RS资源的使用情况,基于邻小区参考信号资源使用情况选择性地使用邻小区空闲CSI-RS所占的时频资源,所提方案能够在抑制邻小区参考信号干扰和提升资源利用率之间取得一个较好的折中。仿真结果显示,相比与参考信号资源静默方案,所提算法在边缘用户吞吐量方面提高了 10%,在平均用户吞吐量方面提升了8.4%。3.针对高速场景下预编码矩阵索引(Precoding Matrix Indicator,PMI)过期问题的研究,提出了一种动态PMI调整机制。用户在自身QoS低于一定水平时,触发基站发送非周期波束赋形CSI-RS,用户测量非周期波束赋形CSI-RS,并向基站发送波束选择信息,为判断PMI是否过期提供参考,并在PMI过期时基于反馈的波束选择信息调整PMI。仿真结果表明,在不同的用户速度和不同的CSI反馈时延下,所提方案均能够较好地解决高速场景下PMI过期问题,提升用户吞吐量性能。且用户速度越高,所提方案的吞吐量性能增益越大,所提动态PMI调整方案适合解决高速场景下PMI过期问题。论文从上述三个方面对fd-mimo干扰抑制技术进行了研究,着重研究了低速和高速场景下参考信号干扰抑制算法,申请了三个专利,并进行了仿真验证。

关键词： fd-mimo 参考信号测量 CSI反馈干扰抑制

面向5G的全维度mimo系统CSI量化研究及性能分析

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面向5G的全维度MIMO系统CSI量化研究及性能分析

作者：蒋砺思北京邮电大学

学位级别：硕士

为了应对移动互联网迅猛发展带来的井喷式增长的移动宽带业务需求,针对第五代移动通信(5G)系统的讨论已经广泛开展。作为5G的一项关键候选技术之一,全维度多入多出技术(Full Dimension Multi-Input-Multi-Output,fd-mimo)利用 2D 有源... 详细信息

为了应对移动互联网迅猛发展带来的井喷式增长的移动宽带业务需求,针对第五代移动通信(5G)系统的讨论已经广泛开展。作为5G的一项关键候选技术之一,全维度多入多出技术(Full Dimension Multi-Input-Multi-Output,fd-mimo)利用 2D 有源天线阵列(2D Antenna Array)为极大数目的移动终端同时同频提供服务并利用竖直维的空间自由度实现3D波束赋形,使得系统的覆盖和容量均能有大幅提升,是发展前景广泛被看好的一项候选技术。信道状态信息(Channel State Information,CSI)的量化是制约fd-mimo性能提升的关键因素。一方面,fd-mimo支持的天线数目远远超过传统的8天线mimo系统,极大增长的天线数目带来了巨大的CSI量化复杂度;另一方面,为了利用使用2D天线阵列多出的竖直维的空间自由度,在设计CSI量化方案时必须考虑竖直维的信道信息。针对上述问题,本文首先提出了克罗尼克积形式的码本及其优化算法,通过设计符合3D信道特性的码本使得量化的CSI能够有效地支撑3D波束赋形,从而充分利用竖直维信道自由度,更进一步,为了解决fd-mimo中大规模天线阵列带来的量化复杂度过高的问题,本文提出了基于克罗尼克积码本的低复杂度CSI量化算法以解决大规模天线阵列下CSI量化复杂度高的问题。本论文的主要内容包括三个方面:1.为利用3D信道竖直维的空间自由度,首先验证了克罗尼克积形式码本针对强相关3D信道的有效性,并针对传统DFT(Discrete Fourier Transform)克罗尼克积码本码字间相关性过高的缺陷,提出了新的码本构建方法,基于二维傅里叶变换推导出了最优码本构建准则,同时基于离散随机逼近提出了更加实用的接近最优的码本构建算法。仿真结果显示优化后的码本较之传统DFT克罗尼克积码本大幅降低了系统的误码率。2.传统基于码本搜索方法的CSI量化复杂度与天线数成指数关系。这使得CSI量化在使用大规模天线阵列的fd-mimo中变得极为困难。因此,为降低复杂度,本文在克罗尼克积码本的基础上,将信道向量依据竖直维与水平维相位信息占比的关系分解成两个子信道,使得两个子信道分表表征水平维和竖直维的信道信息,再根据信道量化和非相关接收间的等价关系将两个子信道量化成两个码字,最后将两个码字经过相乘再向量化的运算映射到克罗尼克积码本中。该算法复杂度与天线数成线性关系,大大降低了原本成指数关系的复杂度。3.本文通过搭建符合3GPP要求的3D-mimo系统级仿真平台,对基于克罗尼克积码本的3D波束赋形算法进行了评估和研究,仿真结果表明,在现有的天线配置下,针对3D信道的克罗尼克码本性能优于传统码本,但由于天线数目较少,增益有限。为了进一步提高性能需要将3D波束赋形与其他增强技术一起使用,或者增加现有系统的天线配置。论文最后对全文进行了总结,并指明了 fd-mimo今后的研究方向。

关键词： 5G CSI量化 fd-mimo 3D信道克罗尼克积复杂度

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多天线多点通信关键技术研究

多天线多点通信关键技术研究

作者：屠方泽北京邮电大学

学位级别：硕士

本文在3GPP (The3rd Generation Partner Project,第三代合作计划)定义的LTE-A (Long Term Evoulution-Advanced,增强型长期演进技术)协议演进的框架下,研究fd-mimo (Full-dimension Multiple-Input and Multiple-Output,全维度多输入多输出)和NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access,非正交多址接入)技术。区别于传统的mimo技术,fd-mimo通过在发射端和接收端布置大量的相位可调天线单元,通过波束成形等方法减小波束宽度,提高用户接收信号质量并降低对临近用户的干扰,从而提高整体系统性能。但是,fd-mimo如何运用于现有的LTE-A系统中还是一个开放的问题。其中,3D-mimo信道建模、fd-mimo预编码的设计、降低参考信号负担等问题是fd-mimo协议研究的关键点。另外,非正交多址接入是3GPP工作组提出的未来通信系统有可能使用的多点无线接入技术。区别于LTE-A中使用的基于OfdMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access,正交频分复用接入)的OMA (Orthogonal Multiple Access,正交多址接入)系统,在NOMA系统中,多个用户能同时复用同一个时频资源,在发射端通过对复用用户分配不同功率从而发送叠加码,在接收端通过SIC (Successive Interference Cancellation,串行干扰抵消)技术解调叠加码从而解调各自用户的信号。但是,NOMA系统的协议标准化进程还尚未启动。其中,复用用户的功率分配、信令设计、用户调度算法都是尚需要解决的问题。为了解决上述问题,本文主要分为三部分,第一部分为3D mimo信道建模研究以及系统级平台实现;第二部分为fd-mimo系统性能研究;第三部分为NOMA系统的性能和标准化研究。针对于3D mimo,本文介绍了3GPP定义的3D mimo信道建模方法包括仿真系统场景、三维用户分布建模和信道建模流程并在LTE-A系统级仿真平台实现了3D mimo信道建模。运用数学建模和计算机仿真的方法研究了三维用户分布和发射接收角度分布,并有以下发现：1.三维用户分布更适用于现实场景;2.3D mimo信道垂直角度比水平角度分布范围更窄,因此原有的码本设计中预编码向量覆盖3600的思路在fd-mimo中并不一定适用。针对于fd-mimo,在第一部分定义的3D mimo信道下,研究fd-mimo的预编码方案。首先提出了一种基于子空间的新型的fd-mimo预编码系统;然后,在LTE-A系统级仿真平台上给出了验证了新型的预编码系统可以在提高系统性能的情况下,最大程度的控制参考信号的开销。最后,本文研究了NOMA系统。首先验证了NOMA系统对比于正交多址接入系统的性能提升,然后讨论了如何将运用于现有的LTE-A系统,研究了包括系统调度、功率分配方案和信令开销等问题。

关键词： LTE-A fd-mimo 3D mimo NOMA