基于矢量扰动的网络MIMO预编码技术研究

Network MIMO is an efficient way to reduce co-channel interference between adjacent cells and improve network spectrum utilization, which has been chosen as one key technique of 4G. At the same time, the new trend of energy saving in mobile telecommunication industries is inexorable. At this background, we are aim to improve the "green efficiency" of network MIMO systems in this research project by introducing the multi-user multi-stream vector perturbation precoding method to network MIMO systems. At first, we have to resolve the very high computational complexity problem of vector perturbation precoder at large number of antennas and users by using sparse approximate inverse theory. Then, limited coordination based vector perturbation precoder and distributed vector perturbation precoder need to be designed to reduce the interference between adjacent cells and cut down the consumption of total transmit power of the network. In addition, their robust schemes will be investigated. Furthermore, on the basis of greening effect, we will optimize the power allocation strategy and transmission mode considering both spectral efficiency and energy efficiency. These researches will contribute to the key techniques of future high data rate green wireless networks.

网络MIMO（Network MIMO）技术是降低相邻小区间共信道干扰、提高网络频谱利用率的有效途径，已经成为4G的关键技术之一，与此同时，世界范围内掀起了通信业节能减排的新变革。在此背景下，本研究以提高网络MIMO系统的"绿色效率"为目标，将多用户多流矢量扰动（Vector Perturbation）预编码引入到网络MIMO系统中，从利用稀疏近似逆等矩阵相关理论解决大天线数、大用户数下矢量扰动预编码器复杂度的问题出发，研究基于矢量扰动的有限协作预编码器和分布式预编码器两种结构，以及相应的鲁棒方案，达到降低小区间的干扰，并降低整网发射功率的效果；进一步，通过绿色效应的研究，优化网络MIMO矢量扰动预编码器的功率分配策略与传输模式，使网络MIMO系统兼顾频谱效率与能量效率。本课题的研究将会对未来绿色无线高速传输网络的发展起到积极的推动作用。

网络MIMO与预编码都是4G和5G无线移动通信的核心技术，本项目分别从：1. 矢量扰动预编码器的结构和计算复杂度的降低；2. 网络MIMO系统的波束成形；3. 网络MIMO系统的资源分配与调度优化三个方面展开研究，通过三年的研究工作，已完成项目计划内容。针对第一个方面，我们研究了：1）MIMO-OFDM系统矢量扰动预编码器结构，在空频全速率下可以同时获取空间分集与多径分集；2）提出了一种混合Tomlinson-Harashima（TH）和矢量扰动（VP）的预编码方案，其可达速率在高信噪比下渐进接近信道容量，但其低复杂度实现方案低于VP复杂度的10% 以下；3）提出了一种带有叠加信息发送的机会矢量扰动预编码方案，该方案在相同发送天线数、调制阶数下，传输同样信息比特比CI-VP需要的功率更低，实现了“绿色通信”降低能耗的目标；4）分析了实际传播环境中的组合衰落信道下多用户MIMO系统使用矢量扰动预编码算法的性能，得到了将衰落系数差距较小的用户分为一组进行空分复用的结论，为系统设计提供了指导意义。针对第二个方面，我们研究了：1）具有时间异步鲁棒性的发送波束赋型预编码算法，所提算法在小于30% 符号周期的时间异步环境下具有良好的鲁棒性能，同时能有效降低回传链路负荷；2）适用于网络MIMO同频小区边缘干扰信道的两种预编码算法，两种MUSI算法与现有算法相比都能达到更低的功率泄露，进而达到更高的小区容量；3）提出了一种平衡能量效率（EE）的预编码设计，该算法收敛速度快并且比现有方法达到更好的能效平衡；4）提出了一种已知部分信道状态信息条件下的接入控制与波束形成联合设计算法，波束形成技术可以实现比现有的方法更高的加权和速率。针对第三个方面，我们研究了：1）具有QoS保障的联合用户调度和功率分配优化；2）最大化全网效用的调度与功率控制方法；3）异构网络场景下通过资源分配进行干扰管理的方法，所提方案是灵活的并且对对重突发业务量具有鲁棒性，且只有少量的协调开销和完全分布式的算法结构。