大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)導(dǎo)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(luò)覆蓋，成為未來5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(fù)用以及信道相干時(shí)間有限，導(dǎo)致超密集網(wǎng)絡(luò)中相鄰小區(qū)只能通過復(fù)用正交導(dǎo)頻訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，由此引起的導(dǎo)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(yùn)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(dǎo)頻污染的影響，導(dǎo)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(guān)于多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中導(dǎo)頻污染消除技術(shù)的研究成果，其中基于導(dǎo)頻分配方案的導(dǎo)頻污染消除技術(shù)是研究的熱點(diǎn)。由于不同的通信機(jī)制對(duì)應(yīng)不同的正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)，本論文將有機(jī)結(jié)合正交頻

3、分復(fù)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(jī)制，基于此通信機(jī)制設(shè)計(jì)最優(yōu)導(dǎo)頻符號(hào)并結(jié)合導(dǎo)頻污染消除方案，逐步開展導(dǎo)頻污染消除技術(shù)的研究。主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.針對(duì)多小區(qū)大規(guī)模 MIMO-OFDM系統(tǒng)由于多小區(qū)頻率復(fù)用以及信道相干時(shí)間有限造成的導(dǎo)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(jìn)行多載波上的導(dǎo)頻信號(hào)建模，在此基礎(chǔ)上為頻率復(fù)用小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)計(jì)最優(yōu)導(dǎo)頻符號(hào)集合。當(dāng)系統(tǒng)子載波資源充足使得基站收發(fā)最優(yōu)導(dǎo)頻符號(hào)方程具備完備時(shí)域（Time Domain，TD）信道沖激響應(yīng)（Channel Impulse Response，CIR）解時(shí)，理論證明最優(yōu)導(dǎo)頻符號(hào)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(hào)集合滿足完全正交性。此時(shí)，時(shí)間

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

6、的導(dǎo)頻訓(xùn)練開銷、信道估計(jì)精度以及系統(tǒng)和速率等性能較已有導(dǎo)頻污染消除方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。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(jì)信息等復(fù)雜度過高的問題。
　　3.為了進(jìn)一步減小導(dǎo)頻訓(xùn)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(dǎo)頻符號(hào)集合提出了一種用戶分組方案。乘積符號(hào)集合在子載波資源不充足時(shí)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(fù)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(hào)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(shí)間交錯(cuò)最優(yōu)導(dǎo)頻符號(hào)發(fā)送消除導(dǎo)頻污染。仿真結(jié)果表明，該方案能獲得較理想的導(dǎo)頻訓(xùn)練開銷、信道估計(jì)精度以及系統(tǒng)和速率。此外，該方案簡(jiǎn)單實(shí)用，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

8、。
　　4.針對(duì)在給定上行總功率的前提下，上行導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)之間功率分配對(duì)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(dǎo)頻污染消除方案給出了上行導(dǎo)頻功率優(yōu)化評(píng)估函數(shù)，并基于此評(píng)估函數(shù)分別優(yōu)化了傳統(tǒng)時(shí)間同步導(dǎo)頻訓(xùn)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(dǎo)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(gè)基于上行導(dǎo)頻功率分配因子和系