大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)中信號干擾抑制及系統(tǒng)性能研究.pdf

1、無線通信數(shù)據(jù)量的爆炸式增長和無線連接數(shù)量的極度增加，使得頻譜資源的有限性和人們對無線通信服務(wù)需求之間的矛盾越發(fā)突出。在此背景下，大規(guī)模MIMO技術(shù)在2010年被Thomas.L.Marzetta等人提出后受到廣泛關(guān)注。前期研究證實(shí)該技術(shù)通過充分挖掘空間自由度能夠極大地提升頻譜資源的利用效率，與此同時(shí)在能量效率方面和當(dāng)前無線通信系統(tǒng)相比也存在幾個(gè)量級的提升空間。因此，大規(guī)模MIMO技術(shù)成為第五代(5G，the Fifth Generati

2、on)移動通信系統(tǒng)中具有潛力的備選技術(shù)之一。但是，大規(guī)模MIMO多小區(qū)系統(tǒng)中小區(qū)間導(dǎo)頻信號的干擾成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸。因此，本文主要研究大規(guī)模MIMO多小區(qū)系統(tǒng)中導(dǎo)頻信號干擾減輕問題，并提出幾種抑制導(dǎo)頻污染的方案，以期提升大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能。本文主要的研究工作從以下方面展開:
　　1.基于“注水算法”原理的導(dǎo)頻智能分配方案
　　大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中用于信道估計(jì)的正交導(dǎo)頻的數(shù)量受限于信道的相干時(shí)長。同一組正交導(dǎo)頻在所有

3、小區(qū)間的復(fù)用造成復(fù)用導(dǎo)頻之間的信號干擾，即導(dǎo)頻污染。該問題成為大規(guī)模MIMO多小區(qū)系統(tǒng)性能提升的瓶頸。然而，不同終端對應(yīng)信道的通信質(zhì)量是不同的，不同的導(dǎo)頻受相鄰小區(qū)中復(fù)用導(dǎo)頻的干擾程度也存在差異。因此，本文提出一種基于“注水算法”思想的導(dǎo)頻智能分配方案。根據(jù)終端信道質(zhì)量和導(dǎo)頻受干擾的程度將導(dǎo)頻和終端按“注水算法”思想進(jìn)行智能配對，達(dá)到減輕整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)頻污染、優(yōu)化導(dǎo)頻資源利用率的目的。實(shí)驗(yàn)證明，此方案在犧牲少數(shù)信道質(zhì)量極差終端性能的情況下，

4、極大提升了系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)容量。
　　2.基于粒子群優(yōu)化算法的導(dǎo)頻智能快速分配方案
　　大規(guī)模MIMO多小區(qū)系統(tǒng)中導(dǎo)頻智能分配方案能夠有效的抑制系統(tǒng)整體的導(dǎo)頻污染。但是，導(dǎo)頻智能分配的運(yùn)算復(fù)雜度與終端數(shù)量正相關(guān)。例如，10個(gè)終端10個(gè)正交導(dǎo)頻的情況下，終端和導(dǎo)頻的配對方案多達(dá)10!=3628800種。為了降低導(dǎo)頻智能分配方案的運(yùn)算復(fù)雜度，本文提出一種基于粒子群優(yōu)化算法的智能導(dǎo)頻快速分配方案。利用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行導(dǎo)頻智能尋優(yōu)分

5、配過程中所有粒子之間信息即時(shí)共享的特性，有助于快速尋找到終端和導(dǎo)頻之間最佳的配對方案，在降低導(dǎo)頻智能分配過程運(yùn)算復(fù)雜度的同時(shí)減輕系統(tǒng)的導(dǎo)頻污染。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此方案在抑制導(dǎo)頻污染和降低導(dǎo)頻智能分配過程中運(yùn)算復(fù)雜度方面的有效性。
　　3.基于終端分層及層間導(dǎo)頻異步發(fā)送的方案
　　相鄰小區(qū)間復(fù)用導(dǎo)頻導(dǎo)致的導(dǎo)頻污染對小區(qū)中心處終端和邊緣處終端的影響是不同的?；诖吮疚奶岢鲆环N終端分層小區(qū)間邊緣終端簇導(dǎo)頻異步發(fā)送的方案。在此方案中將終

6、端分層，各小區(qū)內(nèi)受干擾程度小的中心終端簇同時(shí)發(fā)送上行導(dǎo)頻，而不同小區(qū)內(nèi)受導(dǎo)頻污染嚴(yán)重的邊緣終端簇在互不重疊的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送上行導(dǎo)頻。實(shí)驗(yàn)證明，該方案可以有效的減輕導(dǎo)頻污染對整個(gè)系統(tǒng)的影響。但是此方案中存在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的邊緣終端與相鄰小區(qū)內(nèi)中心終端復(fù)用導(dǎo)頻的情況，因此不同小區(qū)內(nèi)邊緣終端簇和中心終端簇之間仍然存在導(dǎo)頻干擾。為了減輕此部分導(dǎo)頻污染，本文又提出一種改進(jìn)的終端分層及不同終端簇上行導(dǎo)頻、下行數(shù)據(jù)對齊發(fā)送的方案。利用上行導(dǎo)頻與下行數(shù)據(jù)之間不

7、相關(guān)的特性，通過不同終端簇間上行導(dǎo)頻、下行數(shù)據(jù)交叉發(fā)送的方式，導(dǎo)頻污染可以得到進(jìn)一步減輕。實(shí)驗(yàn)證實(shí)改進(jìn)的方案比前一種方案在減輕導(dǎo)頻污染提高系統(tǒng)性能方面更有優(yōu)勢。
　　4.基于小區(qū)分簇導(dǎo)頻異步發(fā)送及導(dǎo)頻功率控制的方案
　　對大規(guī)模MIMO多小區(qū)系統(tǒng)的小區(qū)進(jìn)行分簇，不同小區(qū)分簇內(nèi)終端以異步的方式輪流發(fā)送上行導(dǎo)頻。此方案通過將導(dǎo)頻污染壓縮到同分簇內(nèi)部小區(qū)之間達(dá)到減輕整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)頻污染的目的。顯然，小區(qū)分簇?cái)?shù)量越多導(dǎo)頻污染的影響就越小

8、，但是分簇越多一個(gè)相干時(shí)長內(nèi)上行數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間就越被壓縮，所以并非小區(qū)分簇?cái)?shù)量越多系統(tǒng)的整體性能就越好。合理的小區(qū)分簇策略對于此方案性能的發(fā)揮是至關(guān)重要的。本文從上行和下行綜合角度考慮有效數(shù)據(jù)的發(fā)送并得到合適的小區(qū)分簇策略，從而在減輕導(dǎo)頻污染和提升系統(tǒng)整體性能兩個(gè)方面找到平衡點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論得出的最佳小區(qū)分簇因子的有效性。另外，由于此方案中同分簇內(nèi)部小區(qū)之間仍然存在導(dǎo)頻污染問題，本文將導(dǎo)頻發(fā)送功率控制引入到小區(qū)分簇導(dǎo)頻異步發(fā)送方案中，