Massive MIMO系統(tǒng)中面向公平的導(dǎo)頻分配方案研究.pdf

1、Massive MIMO巨大的陣列增益可以有效地提升多用戶(hù)系統(tǒng)中單個(gè)用戶(hù)的信噪比(SNR)，使得通信系統(tǒng)的信道容量和頻譜效率得到極大地提升。Massive MIMO也因此被公認(rèn)為第五代移動(dòng)通信(5G)的關(guān)鍵技術(shù)之一?？紤]Massive MIMO系統(tǒng)典型的TDD通信場(chǎng)景中，用于信道訓(xùn)練的正交導(dǎo)頻數(shù)目是有限的，因此，隨著用戶(hù)數(shù)的快速增加，導(dǎo)頻在小區(qū)間復(fù)用不可避免，從而導(dǎo)致了嚴(yán)重的小區(qū)間干擾，即，導(dǎo)頻污染。研究表明，導(dǎo)頻污染構(gòu)成了制約Mass

2、ive MIMO系統(tǒng)性能的主要瓶頸?？紤]到由導(dǎo)頻污染造成的用戶(hù)最小信干噪比(SINR)往往不能滿(mǎn)足基本的通信需求，本文基于max-min公平性準(zhǔn)則，提出Massive MIMO系統(tǒng)中面向公平的導(dǎo)頻分配方案，通過(guò)最大化用戶(hù)最小SINR，提升用戶(hù)間的公平性，進(jìn)而緩解導(dǎo)頻污染。
　　首先，本文研究了用戶(hù)SINR和導(dǎo)頻分配的關(guān)系。通過(guò)引入導(dǎo)頻選擇矩陣，分別推導(dǎo)了上行和下行用戶(hù)SINR的漸近表達(dá)式。研究表明，用戶(hù)上行SINR依賴(lài)于各導(dǎo)頻選擇

3、矩陣之間的相關(guān)性，而用戶(hù)下行SINR與具體的導(dǎo)頻分配并不存在依賴(lài)關(guān)系。然后，基于用戶(hù)上行SINR的漸近表達(dá)式以及max-min公平準(zhǔn)則，分別對(duì)面向目標(biāo)小區(qū)用戶(hù)公平和面向全局用戶(hù)公平的導(dǎo)頻分配問(wèn)題進(jìn)行建模，最終將導(dǎo)頻分配問(wèn)題轉(zhuǎn)化為導(dǎo)頻選擇矩陣的優(yōu)化問(wèn)題。
　　其次，考慮目標(biāo)小區(qū)用戶(hù)導(dǎo)頻分配的公平性問(wèn)題，本文提出了三種導(dǎo)頻分配方案:中心式導(dǎo)頻分配方案(CPA)、基于大尺度衰落的導(dǎo)頻分配方案(DPA)以及基于用戶(hù)位置信息的導(dǎo)頻分配方案(

4、LPA)。其中，CPA通過(guò)等效轉(zhuǎn)換，把原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問(wèn)題，進(jìn)而可以采用優(yōu)化軟件求解;DPA和LPA分別基于大尺度衰落和用戶(hù)位置信息給出用戶(hù)受干擾強(qiáng)弱的判定方法，進(jìn)而采用貪婪策略，以受干擾程度越強(qiáng)的用戶(hù)在導(dǎo)頻分配中具有越高的優(yōu)先權(quán)為準(zhǔn)則，進(jìn)行導(dǎo)頻分配。仿真結(jié)果表明，CPA提供了面向目標(biāo)小區(qū)用戶(hù)公平問(wèn)題的最優(yōu)解，并且具有較高的求解效率;DPA提供了近似最優(yōu)解，同時(shí)，進(jìn)一步降低了算法復(fù)雜度和系統(tǒng)復(fù)雜度;LPA僅在用戶(hù)

5、位置信息已知的情況下，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)最小SINR性能的提升，在陰影效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差較小的情況下，其性能可以與DPA相比擬。
　　最后，考慮所有小區(qū)用戶(hù)導(dǎo)頻分配的公平性問(wèn)題，本文提出了面向全局用戶(hù)公平的導(dǎo)頻分配方案(GPA)。首先，將面向全局用戶(hù)公平的導(dǎo)頻分配問(wèn)題分解為若干子問(wèn)題，進(jìn)而借鑒CPA中問(wèn)題等效轉(zhuǎn)化的方法，將子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為MILP問(wèn)題;然后，通過(guò)循環(huán)迭代的方式求解各個(gè)子問(wèn)題，最終獲得原問(wèn)題的解。研究表明，面向全局用戶(hù)公平導(dǎo)頻分配問(wèn)題的優(yōu)