面向5G的大规模MIMO多用户无线传输关键问题研究

Thanks to its ability of fully exploiting spatial resources, as well as greatly improving spectrum efficiency and power efficiency, massive MIMO technology, which deploys a large amount of antennas at the base station, has drawn considerable attentions in the research of physical layer key technologies of 5G wireless communications system. Within the framework of massive MIMO systems, the study of multiuser transmission theory becomes an emerging hot research topic, however there are still several key problems need to be solved. Being aware of these unsolved problems, we aim at developing key theories and technologies in the following aspects, including multiuser transmission theory and technology exploiting imperfect channel state information (CSI), 3D beamforming-aided pilot contamination suppression and multiuser pilot scheduling, as well as physical layer security theory in massive MIMO multiuser transmission. Considering practical conditions such as imperfect CSI, we aim at establishing a solid basis for high-speed, high-efficiency, as well as high-security wireless communications in 5G systems.

在基站端配备数量巨大天线阵列的大规模MIMO技术，由于其可深入挖掘空间资源、大幅提高频谱利用率及功率效率等特点，目前已成为5G无线通信系统物理层关键技术的研究热点。在大规模MIMO系统框架下多用户传输理论的研究在国内外得到越来越多的关注，而相关研究尚处于起步阶段，仍有许多关键问题有待解决。本项目拟针对大规模MIMO多用户传输系统中的数个关键问题展开研究，具体包括利用非理想信道信息的多用户传输理论与方法、利用3D波束成形技术的导频污染抑制及多用户导频调度、以及大规模MIMO多用户物理层安全传输等三个方面。充分考虑信道信息非理想性等现实因素，为实现面向5G的、高速、高效且安全的无线数据通信打下基础。

本项目开展了对面向5G的大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）无线传输系统中数个关键问题的研究，研究从利用非理想信道状态信息（Channel State Information, CSI） 的大规模MIMO 多用户传输理论与方法、大规模MIMO导频污染抑制及导频调度，大规模MIMO 物理层安全传输设计等三个方面展开，取得了如下成果：1）在利用非理想CSI 的大规模MIMO 多用户传输理论与方法方面，针对莱斯信道提出了统计特征模式传输方案并分析其可达速率，揭示了利用统计CSI传输的饱和速率与莱斯K因子及信噪比等关键参数的关系；针对利用非理想CSI的MIMO预编码传输，研究了不同的信道不准确度及信噪比条件下的各传输模式最优实施区域，提出一种便捷的和速率最大化的模式切换算法；针对分布式大规模MIMO系统，提出一种仅利用长时统计CSI的多用户调度贪婪算法，可在天线数趋于无穷时有效消除小区间干扰。2）在大规模MIMO导频污染抑制方面，针对多小区大规模MIMO上行传输，提出一种实现导频污染抑制和边缘用户覆盖最佳折中的基站天线下倾角调整方案，可有效提高目标小区的吞吐率；在3D波束成形设计方面，研究了不同阵列结构下大规模MIMO系统可达和速率，为未来多样阵列结构全维度传输的研究打下基础；针对分布式大规模MIMO系统，提出一种最小化信道估计误差的低复杂度导频复用算法，以及一种基于群组迫零算法的分布式大规模MIMO系统接收设计。所提算法可有效抑制导频污染以及导频复用组的组间干扰，进而有效提高系统和速率。3）在大规模MIMO物理层安全传输方面，分别在高斯输入和有限字符输入的假设下研究了基于阻塞干扰的安全传输，并分别提出提高系统安全性的功率分配和预编码方案。所提出的空间位置决定信息安全性的结论为大规模MIMO安全传输设计提供了新的思路；针对窃听者也配备大规模天线的假设，分析了其最有害于安全性的天线摆放方式，为合法用户针对性的选择安全传输方案提供了理论依据；对基于合法监听的多用户协作传输进行了初步研究，所提出的传输及功率分配方案可有效提高系统的能量效率。