大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)導頻污染消除技術(shù)研究.pdf

1、超密集組網(wǎng)利用小基站密集部署改善網(wǎng)絡覆蓋，成為未來5G網(wǎng)絡提高數(shù)據(jù)流量的有效解決方案之一。然而，超密集網(wǎng)絡部署帶來小區(qū)間干擾問題，成為制約系統(tǒng)容量的主要因素。由于多小區(qū)頻率復用以及信道相干時間有限，導致超密集網(wǎng)絡中相鄰小區(qū)只能通過復用正交導頻訓練序列進行信道估計，由此引起的導頻污染（Pilot Contamination, PC）問題成為小區(qū)間的主要干擾問題。多小區(qū)大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Ou

2、tput，MIMO）系統(tǒng)配置的大規(guī)模天線所蘊含的高增益，可以顯著提升通信系統(tǒng)的能效和譜效，被視為未來5G無線通信重要的備選技術(shù)。然而，增加基站天線的數(shù)目并不能消除導頻污染的影響，導頻污染問題已經(jīng)成為限制多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的瓶頸問題。
　　目前已有大量關于多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中導頻污染消除技術(shù)的研究成果，其中基于導頻分配方案的導頻污染消除技術(shù)是研究的熱點。由于不同的通信機制對應不同的正交導頻設計，本論文將有機結(jié)合正交頻

3、分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)構(gòu)建多小區(qū)大規(guī)模MIMO-OFDM通信機制，基于此通信機制設計最優(yōu)導頻符號并結(jié)合導頻污染消除方案，逐步開展導頻污染消除技術(shù)的研究。主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.針對多小區(qū)大規(guī)模 MIMO-OFDM系統(tǒng)由于多小區(qū)頻率復用以及信道相干時間有限造成的導頻污染問題，本論文利用 OFDM技術(shù)所具有的頻域（Freq

4、uency Domain，F(xiàn)D）多載波資源進行多載波上的導頻信號建模，在此基礎上為頻率復用小區(qū)內(nèi)用戶設計最優(yōu)導頻符號集合。當系統(tǒng)子載波資源充足使得基站收發(fā)最優(yōu)導頻符號方程具備完備時域（Time Domain，TD）信道沖激響應（Channel Impulse Response，CIR）解時，理論證明最優(yōu)導頻符號集合與快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）矩陣相乘構(gòu)成的乘積符號集合滿足完全正交性。此時，時間

5、同步最優(yōu)導頻符號發(fā)送可估計出準確的TD CIRs，完全消除導頻污染。
　　2.針對系統(tǒng)子載波資源不充足導致乘積符號集合不滿足完全正交性，時間同步最優(yōu)導頻符號發(fā)送方案產(chǎn)生導頻污染的問題，本論文設計了一種上行鏈路和下行鏈路相結(jié)合的 TWO-STAGE導頻發(fā)送方案，通過下行鏈路傳輸最優(yōu)導頻符號估計“純凈”的TD CIRs，并將其封裝在上行最優(yōu)導頻符號中，使基站可以在上行鏈路信道估計階段提取出“純凈”的TD CIRs。仿真結(jié)果表明，該方案

6、的導頻訓練開銷、信道估計精度以及系統(tǒng)和速率等性能較已有導頻污染消除方案具有明顯優(yōu)勢。此外，該方案可以使基站避免協(xié)作，也可避免已知信道二階統(tǒng)計信息等復雜度過高的問題。
　　3.為了進一步減小導頻訓練開銷，提高系統(tǒng)譜效，本論文在系統(tǒng)子載波資源不充足的情況下基于最優(yōu)導頻符號集合提出了一種用戶分組方案。乘積符號集合在子載波資源不充足時雖然不滿足完全正交性，但其中某些元素構(gòu)成的子集滿足部分正交性。本論文利用此特性，理論證明頻率復用小區(qū)內(nèi)用戶

7、存在最優(yōu)用戶分組，使得每組內(nèi)用戶的乘積符號相互正交。用戶分組方案則取決于系統(tǒng)有效信道相干間隔（Channel’s Coherence Interval，COHI），如果有效COHI不小于最優(yōu)用戶分組數(shù)，用戶分組方案即為最優(yōu)用戶分組，否則用戶分組方案由有效COHI的值確定，不同組的用戶通過時間交錯最優(yōu)導頻符號發(fā)送消除導頻污染。仿真結(jié)果表明，該方案能獲得較理想的導頻訓練開銷、信道估計精度以及系統(tǒng)和速率。此外，該方案簡單實用，具有實際應用價值

8、。
　　4.針對在給定上行總功率的前提下，上行導頻和數(shù)據(jù)之間功率分配對多小區(qū)大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)有效聚合速率（Aggregate Rate，AR）性能影響問題，本論文基于導頻污染消除方案給出了上行導頻功率優(yōu)化評估函數(shù)，并基于此評估函數(shù)分別優(yōu)化了傳統(tǒng)時間同步導頻訓練序列發(fā)送方案和用戶分組方案。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)有效AR為上行導頻功率分配因子的凸函數(shù)。此外，為了獲取系統(tǒng)最大有效AR，本論文建立了一個基于上行導頻功率分配因子和系