大规模MIMO系统中克服导频污染的传输方案研究

Massive MIMO with a very large number of base station (BS) antennas can significantly improve system energy efficiency and spectrum efficiency. Du to these advantages, it has been considered as a key technique in future wireless communication systems. Since the large BS antennas will increase the training overhead and the difficulty of channel estimation, Time Division Duplexing (TDD) systems exploiting channel reciprocity are exploited in massive MIMO systems. Due to limited channel coherence times in TDD systems, non-orthogonal training sequences have to be utilized in different adjacent cells, which will result in serious pilot contamination problems. Pilot contamination has been viewed as a bottleneck of limiting system performance of massive MIMO. Therefore, this proposal will focuse on designing sveral effective trassmission schemes to overcome this problem. The detailed research contenents are listed as follows: 1) We will propose a partial pilot refuse scheme based on the fact that the pilot contamination is mainly dominated by the cell-edge users. 2) We will propose a dynamic pilot refuse and multiuser scheduling scheme to overcome pilot contamination. 3) We will propose a muticell cooperation scheme to transmform the inter-cell interferences introduced by pilot contamination into the available signals. Depending on these researches, some effective transmission schemes will be proposed to overcome pilot contamination.Finally, this project will provide a theoretical guidance of applying massive MIMO techniques to practical systems.

大规模MIMO通过在基站配置大规模天线阵列，可以显著提高系统的能量效率和频谱效率，因此被认为是下一代移动通信的关键技术而受到广泛关注。在基站天线显著增加时，TDD系统因上下行信道互易而受到显著青睐，但受限于信道相干时间，此时可用的正交导频有限，以致相邻小区将不得不复用非正交导频序列而导致了导频污染。现有研究表明，导频污染已成为限制大规模MIMO系统性能的瓶颈。基于此，本申请拟对大规模MIMO系统中克服导频污染的传输方案进行研究，具体包括：1）根据导频污染主要由边缘用户产生的事实，提出了区别对待边缘和中心用户的部分导频复用方案；2）将正交导频序列看做一种资源，提出了基于动态导频分配和多用户调度的导频污染避免方案；3）基于干扰也是一种有用信号的事实，设计了一种将干扰转化为有效信号的多小区协作方案。通过这三方面研究，将有效的克服导频污染，从而推动大规模MIMO技术向实用化发展。

大规模MIMO通过在基站配置大规模天线阵列，可以显著提高系统的能量效率和频谱效率，因此被认为是下一代移动通信的关键技术而受到广泛关注。然而现有研究表明，导频污染已成为限制大规模MIMO系统性能的瓶颈。基于此，本项目主要对大规模MIMO系统中克服导频污染的传输方案进行了研究，具体包括：. 1）提出了一种有效的部分导频复用方案。在该方案中，用户根据所处的位置被分为强干扰用户和弱干扰用户，其中对前干扰用户分配不同的导频以避免导频污染，而对弱干扰用户分配相同的导频以提高导频的利用率。为了有效的划分用户，则将划分用户的信干噪比门限用距离门限进行替代并进行优化，基于最大化系统容量给出了不同用户数下的最佳距离门限。最终结果表明了所提方案的性能优势及简单实用性。. 2）提出了一种动态的导频分配方案。该方案首先分析了导频污染产生的主要原因，然后给出了一种最佳复用导频数的确定方法以及那些用户应该使用这些导频的分配方案。相对于部分导频复用方案，由于导频资源可以用户的分布情况进行动态分配，因此进一步提升了实际系统的性能。. 3）提出了一种基于3D天线辅助的导频污染抑制方案。该方案借鉴部分导频复用方案的思想，将小区分为内环和外环，并对它们用不同的垂直波束覆盖。由于小区的内环用户与相邻小区的外环用户之间干扰较小，因此可使用相同的导频而不会产生较大的导频污染现象，从而提升了系统的性能。. 4）分析了基于部分协作的导频污染抑制方案在有限规模天线下的系统性能。此方案通过部分协作，实现了利用预编码使基站天线数无穷大时系统的导频污染被完全抑制的目的。然而当基站天线数减小和小区用户数增加时，PCP方案的性能将会急剧恶化。因此，在实际系统当中，需要根据系统的天线配置规模和用户数来合理的选择所需的预编码方案。. 在上述四方面的研究中，我们从导频分配和基于部分协作的角度对大规模MIMO系统中的导频污染进行了有效抑制，这将进一步完善现有导频污染抑制的方案，并推动大规模MIMO向实用化发展。