大规模MIMO系统中降低导频污染影响的传输技术研究

In multi-user massive MIMO systems, the system capacity is mainly limited by pilot contamination. The design basing on the time-shifted pilot structure is a noncooperative scheme to reduce the pilot contamination level effectively. However, in the practical scene with the number of antennas being finite, the interference from the downlink data transmission to the uplink pilot conveying couldn’t be ignored and it has significant impact on the system performance. Moreover, from the point of view of realization, the three dimensional antenna array should be adopted in massive MIMO. In this case, the vertical sectorization technique could be used to improve the system throughput. Meanwhile, the same pilot sequences are reused in all the vertical sectors, so the pilot contamination becomes more severe. Aiming at the above two problems, the transmission schemes that could reduce the unfavorable influence of pilot contamination would be studied in this project. For the conventional massive MIMO with time-shifted pilot, the precoding algorithm of the downlink data transmission based on the interference alignment, and the distributed joint optimization method of downlink precoding and power allocation are designed to improve the precision of the backward channel estimation and the throughput of the forward data transmission. In addition, for the three-dimensional (3D) massive MIMO with vertical sectorization, the coordinated pilot assignment algorithm towards the 3D physical channel, and the joint optimization scheme of downlink beamforming adjustment and transmission power control are explored to reduce the pilot assignment as well as optimize the system sum rate.

在多用户大规模MIMO系统中，导频污染是限制系统容量的主要因素。采用时移导频结构是一种有效地降低导频污染水平的非协作式方案，但在天线数有限的实际场景中，下行数据传输对上行导频的干扰不能忽略，且对系统性能有较大影响。另外，从实现的角度来说，大规模MIMO应该采用三维天线阵列结构，此时便可引入垂直扇区化来提高系统吞吐量，与此同时，由于同一组导频将在扇区间进行复用，所以导频污染问题变得更加严重。本项目便针对以上两个问题，研究可以降低导频污染不利影响的传输方案。针对采用时移导频结构的传统大规模MIMO，设计基于干扰对齐的下行数据传输预编码算法以及分布式的下行预编码与功率分配联合优化方案，提高上行信道估计精度和下行数据传输的吞吐量。另一方面，针对实现垂直扇区化的3D大规模MIMO，设计面向3D物理信道的协作式导频分配算法以及下行波束控制与功率分配联合优化方案，降低导频污染的同时优化系统的和速率。

在基站处配备大量天线并可同时与大量同信道用户通信的大规模 MIMO技术，因其可显著提升系统的频谱效率，成为5G移动通信的一项关键技术，然而其实际应用仍面临着许多问题：正交导频序列数量限制所造成的导频污染问题，实际天线数有限导致各类干扰不可忽略的问题，以及天线数量巨大带来的信号处理算法复杂度高的问题。本项目围绕以上问题，对大规模MIMO系统中的预编码、波束赋形、导频分配、用户调度及功率控制等技术方案开展研究，主要包括以下三方面：1）导频时移和相移结构下降低导频污染影响的传输方案设计。具体地，提出了一种基于信漏噪比最大准则的下行预编码与基站功率控制联合优化方案，通过引入转换因子有效地协调了下行数据和上行导频传输之间的干扰。提出了一种最小化系统总干扰的导频相位偏移量优化方案，并设计了相应的低复杂度导频分配算法，有效降低了导频污染水平；2）三维(3D)-MIMO垂直分裂及多用户场景下的干扰协调方案。针对基站配备二维面阵天线且引入垂直分裂技术的3D-MIMO系统，提出了一种上行导频分配和基站接收波束赋形联合优化的方案以及下行垂直波束控制及功率分配的联合优化方法，有效改善了扇区间复用导频时系统的信道估计精度和频谱效率。基于3D信道空间相关特性，针对时分双工和频分双工多用户3D-MIMO系统，分别提出了一种低复杂度的两步预编码方案和一种基于双码本的有限反馈传输框架，在有效降低系统计算复杂度的同时充分获得了垂直维度处理增益。3）3D-MIMO用户3D分布场景下的干扰协调方案。具体地，提出了基于波束形状匹配和基于最小信漏噪比最大准则的分布式干扰协调方案，通过同时调整天线波束指向及半功率波束宽度，可让波束更精确地服务不同3D位置的用户，提升了边缘用户及系统总的频谱效率。. 基于上述研究，撰写学术论文8篇，其中已发表(或录用)7篇，申请国家发明专利5件，培养硕士研究生6名，其中已毕业5名。本项目研究成果对解决大规模MIMO系统中的各种干扰问题具有重要的指导意义，为其实际应用提供了有益的参考方案。