大规模MIMO 中的协作式信道估计策略

关键词： 大规模 MIMO
导频污染
信道估计
用户调度
协方差矩阵
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
Over the past decade, multiple antenna techniques have been adopted in wireless cellular systems. In today's wireless systems, inter-cell interference has become a limiting factor when trying to achieve higher performance in term of network capacity. To alleviate the inter-cell interference, extensive research has been done. The multiuser MIMO, interference alignment, and cooperative network have been proved to be effective ways to mitigate the interference. Nevertheless, as there has been an explosive increase in demand for wireless connectivity, driven by cellular telephony and ever increasing wireless data applications, it seems unlikely that these techniques would be able to carry the exponentially growing data traffic. An unprecedented spectral efficiency was achieved by a newly proposed "Massive MIMO" scheme where the base station is equipped with a large excess of antennas compared with the number of single antenna terminals which the base station serves in a Time-Division Duplexing (TDD) manner. However, an impairment named "pilot contamination" cased by the re-use of pilot sequences in different cells imposes restriction on the potential capacity gain from a large number of base station antennas. Statistically, the magnitude of pilot contamination is only bound up with the path loss. In this paper, we propose a Bayes estimator and further more, a scheduling method for channel estimation based on the long term statistical information of the users’ channels, i.e., the channels' covariance matrices. Useful information lies untapped in the covariance matrix, such as the angle of arrival and its variance. We can exploit this information to reduce the pilot contamination. Today, uplink channel estimation is done in each cell independently. But now the idea of this paper is that we estimate the channel only of users in multiple cells which we know are "compatible" from the point of view of their covariance matrices information. We show that significant reduction of pilot contamination and over 100% performance gain in term of sum rate can be achieved by our scheduling method. Key words: Massive MIMO pilot contamination channel estimation scheduling
分类号 学校代码 10487
学号 M200971639 密级
硕士学位论文
大规模 MIMO 中的协作式信道估计策略
学位申请人： 尹海帆 学 科 专 业 ： 通信与信息系统 指 导 教 师 ： 刘应状 教授 答 辩 日 期 ： 2012 年 1 月 1 日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science
Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China Jan, 2012
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
Abstract · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · II 1 1.1 绪论 引言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (1)
covariance information.
II
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目
摘
录
要· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · I
பைடு நூலகம்
1.2 MIMO 技术的发展与干扰抑制 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (2) 1.3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 研究内容与论文结构 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (6) 多小区及其干扰协调 多小区合作拓扑模型 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (7) 多小区合作数学模型 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (8) 多小区功率分配和调度 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·(10) 本章小结 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·(14) 大规模 MIMO
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学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要
过去十多年间，多天线系统已经从理论研究阶段转到在现代无线蜂窝系统中的大 规模应用。在当今的无线通信领域，无论是在实际系统中还是在理论研究中，小区间 的干扰早已经成为一个瓶颈，这个瓶颈严重限制了通信系统的信道容量和吞吐率。为 了减少小区间干扰， 目前的研究热点是多用户 MIMO， 干扰对齐技术， 以及协作网络。 这些技术已经被证明可以有效减少小区间干扰。然而，面对呈指数增长的数据量，包 括无线电话业务，以及不断增长的无线数据需求，这些技术并不能从根本上带来系统 容量的飞跃，也无法满足用户的需求。 最近刚被提出来的大规模 MIMO 技术使得频谱利用率达到了空前的水平。 在这种 无线传输方案中，基站端有数量巨大的低功率小天线，天线数目远远超过同时调度的 单天线用户数量。基站和用户之间通过时分双工进行通信。大规模 MIMO 可以使无 线通信系统达到很高的吞吐率，然而它的性能受限于导频污染。当不同小区的用户使 用同一套训练序列，或者非正交的训练序列时，基站估计得到的信道就会被干扰小区 的用户所发送的导频所污染。这种污染程度和天线数量无关，它的幅度只和路径衰落 相关。 本文分析了导频污染问题，并提出了一种贝叶斯信道估计方法，在此基础上，进 一步提出了基于信道二阶统计信息的调度方法来减少导频污染， 从而进一步增加信道 容量。从信道的二阶统计信息，我们可以提取出很多有用的信息，比如波束的平均到 达角度和这个角度的标准差。当今的信道估计通常是在各个小区中独立进行，然而本 文中提出了一种新的信道估计方案，即在不同小区中选择那些更加相互“兼容”的用 户进行信道估计。这个“兼容”度取决于不同用户信道的协方差矩阵。分析和仿真结 果表明，这种信道估计方案可以明显减少导频污染。仿真结果表明，当用户分布在小 区边缘时，使用本文提出的调度和信道估计策略，小区吞吐率可以增加一倍以上。
A Coordinated Approach to Channel Estimation in Massive MIMO Systems
Candidate Major
: Haifan Yin : Communication and Information System
Supervisor : Prof. Yingzhuang Liu
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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