大规模MIMO异构网络的干扰管理方案研究

Massive MIMO and network densification are two key techniques in 5G wireless mobile communication systems. Higer system spectrum efficiency can be obtained by combining these two shemes, called massive MIMO heterogeneous networks (HetNets). However, the system capacity is significantly limited by the interference among the macro massive MIMO cells and small cells. Therefore, this proposal will focus on the interference management schemes in massive MIMO HetNets. Firstly, an interference avoidance scheme based on users classification will be proposed according to the fact that the interference is affected by users distributioin; secondly, by making full use of higher degree of freedom (DoF) in the spatial domain of massive MIMO systems, an interference coordination scheme will be proposed based on spatial DoF utilization and resource allocations; Finally, an interference utilization scheme will be proposed to expoit the interference effectively by coordination among cells. By doing the research above, interference in massive MIMO HetNets can be managed effectively, and thus it improves the systems capacity and helps to improve the practical use of the system.

大规模MIMO和密集组网技术是5G移动通信发展的两个关键技术，二者结合组成的大规模MIMO异构网络可以大大地提升系统的频谱效率。但是，大规模MIMO宏小区和密集组网引入的微小区之间存在干扰，是限制系统性能的主要因素之一。针对此问题，本申请拟对大规模MIMO异构网络的干扰管理方案做深入研究，具体包括：第一，根据用户在小区中的分布会影响系统干扰的问题，提出基于用户分类的干扰避免方案；第二，结合大规模MIMO具有较高空域自由度的特点，提出基于空域自由度利用和多用户资源分配的干扰协调方案；第三，通过小区间的协作，提出基于协作的干扰利用方案，合理地利用干扰。通过以上研究，有效地管理大规模MIMO异构网络中的干扰，提高网络容量，促进系统的实际应用。

大规模MIMO异构网络可以有效地提升通信系统的频谱效率，是新一代无线通信的关键技术。但是，小区间干扰是限制系统性能的主要因素之一。因此，本项目主要围绕大规模MIMO异构网络中的干扰管理方案展开研究，具体包括：. 1）分析了同频回程容量限制下，大规模MIMO异构网络的性能。在系统性能分析中，首先根据用户的分布情况，基于统计概率分布理论，分析了在同频回程容量限制下用户的可达数据率。然后基于该可达数据率分析得出了联合3D波束赋形可以进一步提升异构网络的性能。. 2）提出了一种联合3D波束赋形和资源管理方案。该方案首先根据大规模MIMO异构网络中宏小区、微小区用户的分布情况，分析了宏小区用户、微小区用户以及微小区基站的可达数据率，然后基于该可达数据率，以最大化系统吞吐量为目标，建立了联合优化问题。为了有效地求解联合优化问题，该方案首先将目标问题进行了等价转化，然后提出一种低复杂度的联合3D波束赋形和资源分配方案。所提出的方法通过资源分配策略对干扰进行了有效的管理并进一步利用了垂直维度空域自由度，因此有效地提升了系统性能。. 3）提出了一种联合3D波束赋形和功率分配方案。该方案以最大化系统吞吐量为优化目标，考虑垂直空域自由度和功率因素限制，提出首先寻找最优天线下倾角来优化3D波束赋形，使得系统获得垂直维度的空域自由度；然后基于拉格朗日乘子法迭代优化系统功率。由于综合考虑了3D波束赋形增益和功率分配，所提方法有效地提升了系统性能。. 4）提出了一种受异构网络回程容量限定的资源分配方案。为了降低小区间干扰，异构网络利用小区间协作方案，宏小区和微小区间采用逆时分双工方法。该方案兼顾用户的公平性，以最大化所有用户的对数吞吐量之和为优化目标，并考虑宏小区、微小区用户资源分配率、天线下倾角、回程容量限制等因素来建模问题。由于综合考虑了多个因素的限制且存在耦合项，目标优化问题是非线性非凸优化问题。为了有效地求解问题，本方案中基于原始问题分解算法，将问题进一步分解成易于求解的子问题，通过迭代方法来求解。仿真结果表明，所提出的方法可以同时提升小区边缘和小区平均性能。. 上述研究可有效提升系统性能，为系统的进一步应用提供理论指导。