基于多天线的大规模接入系统算法研究和仿真开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

物联网(iot)的快速发展引发了物联网设备数量的指数级增长,提供了各种新兴应用,如城市时频感知、虚拟导航/虚拟管理、智能交通和环境监测。因此,作为最先进的无线网络,5g网络的一个重要目标是面向物联网大规模节点提供海量实时连接,这对于其接入体制的设计带来了巨大挑战。在现有无线资源日益枯竭的条件下,充分发掘空间维度的资源效用、提升分布接入用户容量,是解决这一问题的主要途径之一。

众所周知,传统的正交多址(oma)技术、时分多址(tdma)和频分多址(fdma)技术,都是将一个正交时频资源块专门分配给一个唯一的用户设备(ue)。虽然oma技术简化了信号处理的设计,但是它们导致了较低的频谱效率。因此,oma技术很难在有限的频谱上支持大规模接入。为此,提出了非正交多址(noma)技术作为蜂窝物联网的可行解决方案。一般来说,noma技术采用叠加编码实现大规模的频谱共享,然后利用连续干扰抵消(sic)来缓解非正交传输造成的共信道干扰。然而,在蜂窝物联网中,sic的计算复杂度与接入设备的数量成正比,这对于能力受限的物联网设备来说可能是难以承受的。为了解决这个问题,通常将访问设备划分为几个集群,并且只对同一个集群中的设备造成的干扰执行sic。但是,用户集群会导致额外的集群间干扰,因为sic只在集群中执行。因此,需要结合有效的干扰消除技术来部署基于集群的noma。

考虑到多天线是5g无线网络的基本特征,采用空间波束成形技术来缓解noma造成的同信道干扰就成了一种很自然的想法。而多天线系统的空间自由度,即基站(bs)的天线数量,决定了干扰抑制能力和可支持设备的最大数量。为了进一步提高大规模接入的性能,将大规模mimo技术应用于noma系统,在bs上可部署大规模天线阵列。本研究的重点就是基于多(大规模)天线理论,研究新型波束分割多址接入(beam division multiple access)机理,通过灵活多波束成形、结合时间/频率维度的非正交信号设计和多用户检测估计,来实现大规模用户的实时、可靠接入。在深入学习了解相关理论的基础上,设计基本的实现算法,并用matlab完成初步的系统性能仿真。

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2. 研究的基本内容与方案

本项目在matlab平台上进行基本的算法实现和仿真, 重点基于多(大规模)天线理论,研究新型波束分割多址接入(beam division multiple access)机理,通过灵活多波束成形、结合时间/频率维度的非正交信号设计和多用户检测估计,实现大规模用户的实时、可靠接入。

本研究基于多天线的大规模接入系统,采用波束成形技术,基于所有用户设备ue的csi(channel state information),在发射端bs(base station)进行波束成形,优化发射功率的分配,基于系统的最大数据传输速率使系统最优。通信模型如图1所示,在单蜂窝系统下,配有n个天线的bs将信息广播给k个ues,bs使用典型的均匀线性天线阵列,每个ue有一个接收天线。由于瞬时的信道状态信息csi在大规模连接而资源有限的环境下很难获得,所以使用统计的csi来设计多接入系统,设计时考虑信号的多径衰落、绕射、散射等实际因素。系统模型如图2所示,基站通过利用csi进行用户分群来降低系统的复杂度,根据不同集群的用户信息进行波束选择(beam selection)和功率分配(power allocation)后再发射波束。一个发射波束是多个发射天线矢量的线性组合,则接收端存在同信道干扰,所以系统设计采用非正交波束多址接入方案,以提高系统的整体性能。此外,接收端拟采用联合sic(successive interferencecancellation)—mpa(message passingalgorithm)接收机进行多用户检测,在接收端估计对每个用户的多址干扰,然后从接收信号中消除多址干扰。

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3. 研究计划与安排

(1)第1-4周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需理论基础。确定方案,完成开题报告。

(2)第5-6周:熟悉掌握基本理论,完成英文资料的翻译,熟悉相关工具软件的使用。

(3)第7-9周: 完成相关算法的设计。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] chen sun, xiqi gao,shijin,zhi ding,michail matthaiou. beam division multiple access transmissionfor massive mimo communications, 2015.

[2] majid nasiri khormuji .generalizedsemi-orthogonal multiple-access for massive mimo,2015.

[ [3]ansumanadhikary, junyoung nam, jae-young ahn. joint spatial division andmultiplexing—the large-scale array regime,2013.

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