大规模MIMO上行链路多用户时频同步关键技术研究

With a very large number of antennas at base station (BS), massive multi-input multi-output (MIMO) technology can significantly improve both spectrum and energy efficiency. However, all these potential gains of massive MIMO rely heavily on perfect time and frequency synchronization among all the users. The BS with massive antennas expects to support a lot of spatially multiplexed users. The uplink multiuser synchronization is quite challenging in this situation. Unfortunately, most existing synchronization schemes are based on time-frequency processing and may not achieve satisfactory results with consideration of synchronization performance, complexity and spectrum efficiency. To deal with the above problems, this project proposes to design efficient time and frequency synchronization schemes for massive MIMO uplink by exploiting the ultra-high spatial resolution of the large-scale antenna array. To be specific, our research includes the following: Achieving both multiuser spatial separation and frequency synchronization based on the idea of “spatial-frequency alignment”; User grouping based multiuser synchronization scheme which is robust to the user spatial distribution; Achieving high efficient multiuser time synchronization based on the idea of “time-spatial-frequency alignment”, which trades spatial processing for time efficiency; Multiuser scheduling and pilot resource allocation scheme with consideration of synchronization performance, complexity and spectrum efficiency. This project is expected to achieve breakthroughs and innovation in the above several aspects, and promote the research of massive MIMO.

大规模MIMO通过在基站配备大规模天线阵列，可以显著提升系统频谱效率和能量效率。然而上述优势的发挥必须建立在所有用户完全时频同步的基础上。配备大规模天线的基站期望能够支持大量用户的空间复用传输，此时上行链路的多用户同步将面临非常严峻的挑战。已有同步方法往往仅从时频域出发，难以同时兼顾同步性能、复杂度和频谱效率。针对此，如何充分挖掘大规模天线的超高空域分辨能力，从空域入手来实现高效的上行链路多用户时频同步是本申请拟解决的问题。具体研究内容包括：拟基于空频对准思路，同时进行空域多用户分离和载频同步；拟基于自适应分组，研究对用户空域特征分布鲁棒的多用户载频同步方法；拟基于时空频对准思路，借助空域处理换取时间效率，实现高效多用户定时同步；拟进一步研究兼顾同步性能、复杂度和频谱效率的多用户分时调度及导频资源分配方案。本项目预期在上述方面取得理论突破和技术创新，对大规模MIMO的研究起到积极推动作用。

大规模MIMO通过在基站配备大规模天线阵列，可以显著提高系统的频谱效率和能量效率。配备大规模天线阵列的基站往往期望能够支持大量用户的空间复用来提升系统容量，此时多用户间的时频同步将面临非常严峻的挑战。针对此，项目组提出基于大规模天线的超高空域分辨力来设计高效的时频同步方法。具体研究进展包括：.1）提出一种联合空间-频率对齐方法分别为每个用户进行载频偏移估计。所提频率同步方法具有实现复杂度低的优点。项目组还设计了一种低复杂度的盲频偏估计算法，并通过迭代算法来逐步提升多用户干扰消除和估计性能。.2）提出基于角度域自适应滤波的多用户频率同步方法。针对相邻用户的来波区域存在比较严重交叠的情况，项目组提出将多用户联合估计与检测技术结合，进行组间用户角度域自适应滤波。.3）提出了一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法，利用每个用户的波达方向所对应的导向向量对基站接收信号进行波束形成，使多用户干扰得到有效的抑制，显著提升多用户定时同步性能.4）提出通过多用户分时调度机制在保证上行链路同步性能的同时极大降低同步复杂度。提出采用两步分开设计的思路来寻找次优方案。针对接收天线数目不够的场景，提出一种波束成形网络优化方法来进一步抑制多用户干扰。.5）基于软件无线电思想研制了一套通用阵列信号处理实验平台。在传统空域滤波的基础上，提出基于空时自适应滤波的多用户频率同步方法。基于该硬件平台完成了多用户空时自适应均衡方法的开发与实测验证。.以上研究充分表明了大规模天线阵列信号处理在多用户同步方面的有效性。另外，项目组面向高速移动场景，提出基于大规模天线阵列信号处理的同步参数估计方法，并进一步针对分布式天线系统，提出了一种多频率参数的估计方法。本项目已按计划顺利开展，在上述几个方面获得了一定的理论突破和技术创新，取得了丰富的研究成果，预期将对促进相关学科的研究起到积极的推动作用。