基于多天线的大规模接入系统算法研究和仿真开题报告

全文总字数：5213字

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。

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。

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。

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.