面向5G的大規(guī)模協(xié)作無線傳輸技術(shù)研究.pdf

1、為應(yīng)對移動通信業(yè)務(wù)量的迅猛增長及無線接入終端數(shù)目的大幅增加，業(yè)界現(xiàn)已著手啟動對下一代(5G，5th Generation)移動通信系統(tǒng)的定義與標(biāo)準(zhǔn)化工作。5G系統(tǒng)的主要目標(biāo)為提供千倍量級的容量增長，而在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及基站配置下這一目標(biāo)很難完成。面對稀缺的頻譜資源，大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)密集化將是實現(xiàn)該目標(biāo)的有力手段?？偟膩碇v有兩條途徑:一是在現(xiàn)有宏蜂窩基站端采用更大規(guī)模的天線陣列，形成大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO，Multiple Input M

2、ultiple Output）系統(tǒng)以獲得更高的室外空間增益;二是通過部署大量較小覆蓋半徑的無線接入節(jié)點組成小蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以此來應(yīng)對室內(nèi)及室外不斷增長的數(shù)據(jù)流量需求。作為5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵候選技術(shù)，這兩大網(wǎng)絡(luò)密集化方式已受到了廣泛而密切的關(guān)注。本文將針對面向5G的大規(guī)模協(xié)作無線傳輸技術(shù)展開研究。
　　首先，研究超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN，Ultra-Dense Network）中的集中式動態(tài)基站協(xié)作方法。通過計算機仿真對同構(gòu)UDN中動態(tài)成

3、簇算法的用戶速率性能進行研究，展示了基站密度及多基站協(xié)作對用戶速率的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了一種集中式貪婪成簇算法，通過貪婪式地選取可最大化已選用戶和速率的協(xié)作基站，該算法能夠取得相較于原有分布式算法明顯的平均速率提升。此外，由于用戶速率受到基站與用戶間相對密度的影響明顯，本文還提出了一種基于正交系統(tǒng)資源的用戶調(diào)度策略，采用最大化同一系統(tǒng)資源上用戶間最小距離的調(diào)度準(zhǔn)則，在空間上有效拉開相互干擾的用戶及其服務(wù)基站間的距離，從而實現(xiàn)用戶頻

4、譜效率的顯著改善。
　　接著，研究UDN中的分布式動態(tài)基站協(xié)作方法。考慮同構(gòu)UDN中基站數(shù)大于被調(diào)度用戶數(shù)一個數(shù)量級的場景，針對基站采用全向天線、定向天線及混合全定向天線的場景，分別提出了三種分布式自適應(yīng)動態(tài)基站協(xié)作算法。該類算法首先根據(jù)用戶信道條件及其鄰居基站的活躍狀態(tài)對用戶進行分類，然后對各類用戶采取分而治之的方式來選擇具體的協(xié)作基站集合與波束賦形方案，避免了傳統(tǒng)成簇算法由于對所有用戶不加區(qū)分地根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進行成簇結(jié)果計算

5、而帶來的高復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，本文所提出的三種分布式方案均能在其各自適用場景下以較低的系統(tǒng)開銷獲得穩(wěn)定的用戶速率增益。
　　隨后，對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中三維(3D，3-Dimension)天線場景下的基站下傾角進行設(shè)計與優(yōu)化。針對兩小區(qū)、基站采用最大比傳輸(MRT，Maximum Ratio Transmission)或干擾消除波束賦形方案的場景，給出了系統(tǒng)遍歷和速率的表達式，在此基礎(chǔ)上考慮高信噪比場景并采用一系列合理近似，得到

6、了系統(tǒng)和速率以基站天線數(shù)和下傾角為自變量的顯式表達式，以及基站天線數(shù)趨于無窮時的漸進系統(tǒng)和速率;為求得能夠最大化系統(tǒng)遍歷和速率的基站天線下傾角取值，進一步考慮一種簡化的3D天線輻射圖樣模型，推導(dǎo)出了由小區(qū)半徑及基站、用戶天線高度差所決定的優(yōu)選下傾角取值。仿真結(jié)果表明，本文所得到的系統(tǒng)遍歷和速率公式及優(yōu)選基站天線下傾角取值準(zhǔn)確有效，對采用3D天線的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中天線下傾角的設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。
　　最后，研究抑制大規(guī)模MIM

7、O系統(tǒng)導(dǎo)頻污染的時間交替導(dǎo)頻傳輸方案。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，當(dāng)天線數(shù)趨于無窮時非相關(guān)干擾能夠被完全消除。根據(jù)這一特點，時間交替導(dǎo)頻傳輸方案借鑒了頻率復(fù)用技術(shù)的思想來對系統(tǒng)中的小區(qū)進行分組，然后將不同小區(qū)分組中用戶的導(dǎo)頻傳輸階段在時間上彼此錯開，能夠在僅利用無協(xié)作MRT預(yù)編碼的條件下有效抑制導(dǎo)頻污染、大幅提升速率性能。為研究該方案在有限天線數(shù)時的性能，本文推導(dǎo)了采用時間交替導(dǎo)頻方案及迫零(ZF，ZeroForcing)收發(fā)機的大規(guī)模MI