非理想协作下的多小区MIMO协作系统容量分析与优化的研究

The technique of multi-cell MIMO with cell cooperation has been widely recognized as one of the core techniques of future mobile communications. From the perspective of information theory, the study of multi-cell MIMO cooperation systems can help us to understand the characteristics of the considered systems deeply, and then, to provide the guidance for system design and optimization. However, due to the fact that base-stations and mobile terminals are located at different geographic locations, as well as the fact that the information sharing among different base-stations is imperfect, the analysis model of the considered systems is complicated. Hence, the capacity analysis of multi-cell MIMO cooperation systems is still an open problem. In order to study the system capacity and derive the analytic expressions when the cooperation among base-stations is non-ideal, our team will try to introduce the operator-valued free probability theory to solve the above-mentioned problems. Specifically, under the constraint of limited-capacity backhaul link, we first study the system achievable rate when considering the uplink and downlink respectively. In order to make our results more general, different cooperation modes in the considered systems are studied. Furthermore, we consider that there are cooperation clusters in the multi-cell MIMO cooperation systems, and study the capacity of such systems. This is because that, in practical systems, the system ability (such as computing power, backhaul link, etc.) is restricted. Hence, nearby base-stations need to form a cooperation cluster, and then these cooperation clusters constitute the whole system. Finally, based on the derived analytic expressions, we try to find the impact of above-mentioned constraints on the multi-cell MIMO cooperation systems, and propose the optimization criteria.

多小区MIMO协作技术被认为是未来移动通信的关键技术，能有效提高蜂窝系统的频谱利用率和小区边沿用户的服务质量。从信息论角度对其展开研究，有助于深刻理解该系统的特性，为系统的设计与优化提供理论指导。但由于基站和终端的地理分布特性，以及基站间非理想信息交互条件，使得该系统的分析模型复杂，导致对其进行容量分析具有较大的困难，目前仍是学术界积极探讨的热点问题。课题组通过引入算子值自由概率等数学工具，研究系统在非理想协作条件下的可达速率，导出解析表达式。具体而言，将分别从上行和下行两方面研究系统在回馈链路容量受限下的可达速率，为了使结果更具一般性，分析中考虑了系统内的基站具有不同的协作模式。此外，针对实际系统的处理能力限制，基站间协作只能在一定范围内以协作簇的形式进行，将进一步研究引入协作簇后的系统可达速率。将充分挖掘所导出解析表达式的物理意义，探寻各类制约因素对系统性能的影响，提出优化设计准则。

为了提高移动通信系统的频谱效率，同频组网概念在第四代移动通信系统中被提出，由此导致小区间干扰的加剧，并显著影响小区边缘用户的服务质量。因此，需要在基站间引入协作，实现干扰的避免，或联合发送与接收来进一步提高系统容量。然而，小区间协作需要基站间共享信息，考虑到实际系统信息共享链路容量受限，因此需要对各类实际约束下的系统容量和系统设计展开研究。此外，考虑到大规模天线系统已成为第五代移动通信系统的核心技术之一，因此将大规模天线引入多小区协作中，探寻两者结合对系统设计带来的影响。.课题组在基金委3年资助下，展开了如下的研究：首先，考虑到信道估计误差对协作波束成型性能有重要影响，对多天线系统的信道估计问题展开研究，证明了基于最大似然的联合检测与先基于MMSE信道估计再进行最大似然检测两者间的等效性，从而为后续研究奠定了基础；其次，研究了分布式阵列天线系统的系统容量，从信息论角度证明了采用基于协作的分布式紧凑阵列的可行性，给出了相互协作的阵列数目无需太多即可达到满意的容量，并对阵列的优化配置模式进行了讨论；第三，研究了基于THP的多小区协作预编码，首先针对理想协作下MIMO干扰信道的预编码设计，提出了基于MMSE准则的THP收发机设计，证明在多流情况下，THP预编码将显著优于线性预编码，接下去考虑信息共享链路容量受限，提出基于统计信道信息和粗糙瞬时信道信息两者结合的THP预编码，最后考虑了用户聚集场景下的预编码问题；第四，研究了小基站系统和室内分布式天线系统的协作问题，并考虑到小基站即插即用的特点，其信息共享链路较不稳定，提出了基于协调的干扰抑制技术，能够显著降低对信息共享的要求；第五，考虑了配置大规模天线的多基站协作簇的优化问题，由于大规模天线系统的主要干扰存在于信道估计阶段，即导频污染问题，因此将协作簇的设计简化为导频的设计优化，从而降低了优化的复杂度；最后，本研究在协作信息共享网络及协作信息的纠错保护方面也做了一些有益的探讨。