大规模多用户MIMO系统导频波束形成预编码算法及仿真

为了降低大规模多用户MIMO系统中用户侧信道状态信息获取的开销,提出了一种基于导频预编码的波束训练算法.结合用户可达速率,采用几种不同线性预编码算法,给出了导频波束形成预编码算法.对该算法进行仿真,分析其在不同天线数和用户数条件下的频谱效率、信噪比以及相干时间间隔的关系.仿真分析结果表明:在相干时间间隔符号数大于50时,该算法频谱效率显著优于未采用导频预编码算法.信道估计开销不依赖于基站天线数目,仅与用户数目成正比.采用上述算法可有效降低MIMO系统中用户侧信道状态信息获取的开销.

大规模多用户MIMO技术在5G通信中的应用研究

本文主要介绍了大规模多用户多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术的概念和优势,阐述了大规模多用户MIMO技术的要点,探讨了大规模多用户MIMO技术在5G通信中的应用,旨在加强对大规模多用户MIMO技术的研究,发挥其在5G通信中的优势,满足5G通信需求,提升系统容量,优化空间资源,减少浪费,降低误码率,促进无线通信技术的发展,从而推动未来移动通信的可持续发展。

基于消息传递的大规模多用户MIMO低复杂度的检测算法

针对大规模多用户多输入多输出（MIMO）系统中基站端检测复杂度高的问题,提出了一种低复杂度、基于强制收敛的变量节点全信息高斯消息传播迭代检测（VFI-GMPID-FC）算法。首先对传统的GMPID算法进行改进,得到VFI-GMPID算法,VFI-GMPID算法的检测性能逼近最小均方误差检测（MMSE）算法,但复杂度要大大低于MMSE算法。然后结合强制收敛思想和VFI-GMPID,提出VFI-GMPID-FC算法,进一步降低算法复杂度,提升检测效率。最后通过仿真结果表明,所提算法在保证检测性能的同时,能有效地降低算法的复杂度。

毫米波大规模多用户MIMO的混合预编码研究

在毫米波大规模多输入多输出(MIMO)系统中,为了减小全数字预编码时硬件安装复杂度及安装费用,以及克服毫米波传输衰减大的问题,本文探讨一种线性混合预编码方法。首先分析了一个可渐近最优的线性模拟预编码方案,该方案可通过迭代处理就能实现。在此迭代模拟预编码基础上,本文进而在数字预编码方面考虑块对角化(BD)和最大比传输(MRT)两种线性方案,并在不同的参数下对MRT与BD进行仿真对比。仿真结果表明,在低信噪比和用户数少时,MRT性能优于BD,而在其它情况下,BD性能优于MRT。

基于空间相关性的大规模多用户MIMO预编码

由于FDD(frequency-division duplex)系统的信道不具有互易性,使得大规模MIMO(multiple-input multiple-output)系统发射端对多天线信道信息的获取变得十分困难。为了解决基站获取信道状态信息的问题,可以采用双重结构预编码方案,将对长期CSIT处理的波束成形和随后对短期CSIT处理的线性预编码进行级联,可以有效地降低反馈开销。预编码矩阵由基于空间相关性的预波束成形矩阵和基于短期CSIT的传统预编码矩阵决定。通过将具有空间相关性的用户进行分组,并将分组后的用户的信道矩阵与基于空间相关性的相同的预处理矩阵相乘,使预编码信号空间的维度降低。

大规模多用户MIMO系统中的低复杂度混合预编码方案

大规模多输入多输出(MIMO)可提供相当大的系统容量,但代价是硬件的高复杂性。本文提出了一种低复杂度的混合预编码方案phased-ZF(PZF),具有接近传统迫零(ZF)预编码的性能,其原理是在RF域仅进行相位控制,而在基带部分则进行低维基带ZF预编码。通过稀疏散射毫米波信道的仿真,证明了本方案的正确性。

大规模离散MU-MIMO:低复杂度、信息理论最优检测与多用户编码

研究了一种实际的大规模离散多用户多输入多输出(MU-MIMO)系统,涵盖了大规模天线与用户、实用的信道编译码、任意输入分布、仅接收机已知信道状态信息、一般右酉不变信道矩阵、模数转化器等实际通信约束。针对理想和低分辨率模数转换器下的大规模离散MU-MIMO系统,分别提出了低复杂度、信息理论最优接收机和多用户码设计准则,并给出实际多用户低密度奇偶校验码(LDPC)设计。数值实验证实所设计的多用户LDPC比现有的单用户LDPC获得了2~5dB性能增益,同时还解决在信道恶劣和低分辨率模数转换器下单用户码无法准确恢复信息的难题,揭示了现有贝叶斯最优接收机与单用户码直接结合不再是最优方案。

基于有限反馈的大规模3D MIMO多用户传输方法及其码本设计

针对大规模MIMO通信系统研究了一种基于码本的有限反馈大规模3D MIMO多用户传输方法,给出一种基于水平和垂直方向码字直积的3DMIMO码书设计方案,并提出了两种垂直码本设计方法,且在合理的调度方案下,对所设计的码本进行了仿真分析。仿真表明本文所提的三维码本相对于二维码本以及传统的三维DFT直积码本,提高了系统频谱利用率和吞吐量性能。

多用户大规模MIMO系统能效资源分配算法

该文针对多用户大规模多输入多输出(MIMO)移动通信上行系统,提出一种基于能效优化的资源分配算法。所提方法在采用最大比合并(MRC)接收情况下,满足用户数据速率和可容忍的干扰水平约束条件下,以最大化系统能效下界为准则建立优化模型。根据分数规划的性质,把原始的分数最优化问题转换成减式的形式,进而采用凸优化的方法,通过联合调整基站端的发射天线数和用户的发射功率来优化能效函数。仿真结果表明,所提算法与穷举算法在能效上的差距不足9%,并且有较好的系统频谱效率性能,同时算法复杂度得到了显著降低。

大规模MIMO中继系统中多用户物理层安全传输方案

研究大规模多输入多输出中继网络中的多用户物理层安全传输方案.系统模型中假设窃听节点与源节点和中继节点间都有直接链路,窃听节点可以接收到源节点和中继发送的信号.在不能获得窃听者信道状态信息的情况下,大规模MIMO中继采用简单的最大比合并/最大比发射信号处理方案,并配合中继零空间人工噪声和目的端的协作干扰实现多用户的信息安全传输.对保密速率及其在中继天线数无限增长时的渐近值进行了理论分析,并进行仿真.仿真结果显示系统的保密和速率随中继天线数的增长而增长,最终趋于理论渐近上界值.仿真结果也表明即使窃听节点具有多用户间干扰消除能力,并能同时拦截源节点和中继发送的信号,采用本文的方案仍然能获得可观保密速率.

多用户大规模MIMO自适应安全传输策略

大规模MIMO系统采用空分多址可以提高系统吞吐量,同时利用多用户下行信号的相互协作可以对窃听者造成叠加干扰,带来了天然的安全增益。但目前该系统的物理层安全研究仍采用传统的人工噪声方案,忽略了多用户信号干扰带来的安全增益,造成严重的功率浪费。针对这一问题,该文分析了多用户信号干扰对系统可达平均安全速率和平均安全能效的影响,给出了系统的最佳接入用户区间。研究发现,在系统接入用户数较少和用户数较多时,系统安全能力较弱,针对此分别提出了N波束加扰和基于用户位置的用户调度的自适应安全传输策略。最后通过仿真验证了理论推导和所提策略的有效性,利用该文所提策略,能够保证系统天然安全能力不足时的安全通信。

多用户大规模MIMO系统能效资源优化算法

针对多用户下行大规模MIMO系统,为满足用户QoS需求,建立关于发射功率、发射天线数、用户天线数的系统能效优化模型。区别于传统的利用迭代算法求解使系统能效最佳的发射功率,提出采用Lambert W函数分析得到系统最佳发射功率的闭式表达式,极大地降低了运算复杂度。并利用天线选择算法进一步对能效进行优化,即采用凸优化算法对能效进行优化。仿真结果表明,所提算法能有效提高系统能效,提升系统性能。

基于边动态调度的多用户大规模SM-MIMO消息传递检测

消息传递检测(Message Passing Detection, MPD)算法是一种基于置信度传播的检测算法,非常适用于多用户大规模空间调制多输入多输出(Spatial Modulation Multiple Input Multiple Output, SM-MIMO)系统,但传统MPD算法复杂度仍然较高。针对该问题,研究基于边动态调度的MPD算法,根据观测节点与变量节点可靠性,提出基于观测节点可靠性MPD(the Reliability of Observation Nodes MPD, TRON-MPD)和基于双节点可靠性MPD(the Reliability of Observation and Variable Nodes MPD, TROVN-MPD)两种边动态调度方案,在迭代检测过程中,根据边的可靠性,实现边信息的动态更新,以进一步降低算法复杂度。理论分析与仿真结果表明:与传统MPD算法相比,TRON-MPD与TROVN-MPD方案均可实现以损失较小误码率性能为代价大幅降低算法复杂度;同时,通过适当设定边动态调度方案的阈值,可在系统误码率与算法复杂度之间取得较好折中。

智能反射面辅助多用户大规模MIMO系统的联合波束成形

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)作为面向第6代通信的关键技术之一具有创新、高效、节能和成本效益高等特点,但其联合波束成形设计为非凸优化问题,仍然是具有挑战的难题。为此,提出了一种用于IRS辅助多用户大规模多输入多输出系统的联合波束成形设计方案,以实现系统数据速率最大化。该方案在基站端采用迫零波束成形以消除用户间干扰,同时在IRS端设计了近最优反射波束成形以实现系统和数据速率最大化。仿真结果表明,该方案可获得较高的系统和数据速率,也为IRS位置布局的选择提供了数据支持与参考准则。

大规模MIMO多小区多用户TDD系统导频污染抑制方法

针对大规模MIMO系统中导频污染问题,提出一种基于路径损耗执行用户分组的导频调度策略(pilot scheduling based on path loss to perform user grouping,PLUG),该策略以用户受导频干扰程度为依据将用户划分为中心用户组和边缘用户组,受导频污染较轻的中心用户分配相同导频,受导频污染严重的边缘用户分配正交导频,从而抑制导频污染的影响。PLUG策略假定每个小区的边缘用户数相同,为提高PLUG策略灵活性,进一步提出一种改进的基于路径损耗执行用户分组的导频调度策略(improved pilot scheduling based on path loss to perform user grouping,IPLUG),该策略利用判决参数实现每个小区边缘用户数的动态选取,成功地避免一些信道条件好的用户被误划为边缘用户造成导频开销浪费,或信道条件差的用户被误划为中心用户导致通信质量下降,提高了用户分组的准确性和合理性。理论分析和仿真结果表明,所提策略均能在不明显降低中心用户性能的前提下显著提高小区边缘用户的信道估计归一化MSE、上行链路SINR和上行可达速率。由此可知,所提策略可有效抑制大规模MIMO系统的导频污染并降低通信中断概率。

面向大规模MIMO下行多用户迫零预编码的交替训练研究

为解决频分双工大规模MIMO的信道获取开销问题,针对服务质量保障与基站采用迫零(ZF)预编码的典型场景,引入对信干噪比(SINR)的监督机制,设计多用户逐根天线交替训练方案。进而考虑交替训练引入的时间开销,设计基于天线分组的多用户交替训练方案。然后推导了2种方案的平均训练长度、传输成功率以及平均有效和频谱效率闭合表达式。理论与仿真揭示了发射功率、SINR阈值、用户数、分组长度与信道误差水平等参数的影响,并证明相比全训练与部分训练,所提方案可显著降低导频开销,提升传输成功率。

基于V-BLAST的数字—模拟域混合预编码技术在多用户大规模MIMO中的应用

在大规模MIMO系统中,全复杂度单一基带预编码(如全复杂度破零预编码FC-ZF)需要与天线阵元数目相同的射频链路,进而以高复杂度的硬件实施为代价,混合预编码(HP)技术可以大大降低射频链路数,且性能上接近全复杂度单一基带预编码技术,因此HP技术具有较高的研究价值。提出的自适应数字—模拟域混合预编码(自适应混合预编码/AHP)技术较传统数字—模拟域混合预编码(传统混合预编码)技术可以进一步有效地降低硬件的复杂度,并将其与V-BLAST技术相结合,可以同时获得阵列增益和复用增益。仿真结果表明,提出的方案具有较高的频谱效率、较低的硬件复杂度及比较理想的误码率性能。

毫米波大规模MIMO系统多用户波束赋形优化算法

波束赋形在毫米波大规模MIMO系统中具有重要作用。文章采用模数混合阵列天线结构,借助凸优化技术,实现毫米波大规模MIMO系统传输和速率最大化,获取最优波束赋形矢量。通过对不同SINR情况进行分析,获取在最优波束赋形矢量下最佳功率分配矩阵,实现高速多用户波束赋形传输。实验结果表明,该方法有效提升了毫米波大规模MIMO系统传输的和速率。

多用户毫米波大规模MIMO系统中收发端联合的混合波束成形设计

毫米波大规模多输入多输出(MIMO)系统可以带来频谱效率和能量效率数个量级的提升。但是由于硬件成本和能耗的限制,传统的每个天线元件需要一条射频链路的全数字波束成形技术不再可行。为解决这个问题,考虑采用部分连接的数模混合波束成形架构,提出一种联合设计基站(BS)端和用户端波束成形矩阵的方案。为了充分利用大规模MIMO系统的阵列增益,提出基于稀疏主成分分析的算法来获得相应的BS端模拟预编码和用户端模拟接收矩阵。然后,从最小化系统加权均方误差角度,提出迭代算法以联合优化数字预编码和接收矩阵。经过仿真验证,本文所提方案频谱效率接近现有的全连接混合波束成形架构的方案,而系统能耗大幅降低。

基于压缩感知的FDD多用户大规模MIMO系统的信道估计

大规模MIMO系统中基站(BS)端天线数量很大,用于下行信道估计的导频开销将占用很多系统资源,尤其是在FDD模式下。为了减少导频开销,文中提出一种信道矩阵拆分方案,即利用多用户信道间的空间相关性将角域变换下的信道矩阵拆分为两个更加稀疏的信道矩阵,然后采用压缩感知(CS)技术分别恢复出这两部分信道,最后把两部分信道矩阵相加即得到完整的信道估计。不同于传统的信道估计方案,多个用户(UE)端接收到来自BS的导频信号后不在本地进行信道估计,而是把接收到的信号直接反馈给BS,在BS端进行信道的联合恢复。仿真结果表明,所提方案能够有效降低信道估计所需导频开销,同时保证良好的信道估计性能。