无蜂窝大规模MIMO中基于深度强化学习的无人机辅助通信与资源调度

无蜂窝大规模多入多出(MIMO)网络中分布式接入点(AP)同时服务多个用户,可以实现较大区域内虚拟MIMO的大容量传输;而无人机辅助通信能够为该目标区域热点或边缘用户提供覆盖增强。为了降低反馈链路负载,并有效提升无人机辅助通信的频谱利用率,该文研究了基于AP功率分配、无人机服务区选择和接入用户选择的联合调度;首先将AP功率分配和无人机服务区选择问题联合建模为双动作马尔可夫决策过程 (DAMDP),提出了基于Q-learning和卷积神经网络(CNN)的深度强化学习(DRL)算法;然后将用户调度构造为一个0-1优化问题,并分解成子问题来求解。仿真结果表明,该文提出的基于DRL的资源调度方案与现有方案相比,可以有效提升无蜂窝大规模MIMO网络中频谱利用率。     

基于强化学习的无人机基站多播通信系统的飞行路线在线优化

针对无人机(UAV)基站(BS)多播通信系统的通信时延最小化问题,该文提出飞行路线在线优化算法。在该系统中无人机基站向多个地面用户同时发送公共信息,其中每次通信任务中地面用户位置是随机的。为了保证地面用户能够接收完整的公共信息以及考虑到无人机的能量有限性,该文以最小化无人机基站完成通信任务的平均时间为目标。首先将问题转化成一个马尔可夫决策过程(MDP);然后把通信时延引入到动作价值函数中;最后提出使用Q-Learning算法对无人机飞行路线进行学习和在线优化,从而实现平均通信时延最小化。仿真结果显示,与其他基准方案相比,该文所提方案能够有效地为无人机多播通信系统飞行路线实现在线优化,并有效降低通信任务的完成时间。     

基于分布式算法的MIMO系统天线选择和用户调度方案研究与应用

针对大规模多输入多输出(MIMO) 系统基站空间路径衰减问题,提出一种分布式算法适应于MIMO系统的天线选择与用户调度解决方案.以用户服务质量(QoS)为条件,在不增加天线发射增益的情况下,实现在天线选择的同时调度最优用户进行通信,仿真结果表明,该方案能够大幅度提高系统稳定性。     

基于无线传播环境的无蜂窝大规模MIMO系统接入点部署优化

无蜂窝大规模多输入多输出（MIMO）系统通过在覆盖区域内部署大量的接入点（AP）,可以为用户提供均匀、可靠的服务。传统的无蜂窝大规模MIMO系统采用随机部署,未考虑AP周围的路径损耗、阴影衰落散射物以及环境遮挡对覆盖质量的影响。为了考虑实际环境下无蜂窝大规模MIMO能实现均匀、一致的覆盖,提出了基于无线传播环境的AP部署方案。首先,通过混合概率路径损耗模型对无线传播环境进行表征,其次构建了以最大化平均吞吐量为目标的AP部署优化问题,最后将问题转化为马尔可夫博弈过程,并且基于多智能体深度确定性策略梯度（MADDPG）算法得出最优的AP部署策略。仿真结果表明,相比于传统的随机部署和现有AP部署策略,所提方案可明显改善复杂环境下的非均匀覆盖问题,为用户提供良好一致的均匀覆盖。     

大规模MIMO系统传输关键技术研究进展

随着物联网的兴起和移动互联网业务种类的日渐丰富,人们对蜂窝移动通信数据传输速率以及服务质量提出了更高的要求.由于能够充分挖掘空间维的自由度,在提高频谱效率的同时获得较好的功率利用率,大规模MIMO系统引起了国内外的广泛关注.大规模MIMO系统配置的大规模天线阵列在带来性能增益的同时也带来了前所未有的挑战,如大规模天线阵列系统下传输方案的设计、急剧增加的系统硬件复杂度和计算复杂度等.首先对大规模MIMO系统下的几种传输方案,如联合空分复用(JSDM)传输方案和大规模多波束空分多址(MB-SDMA)传输方案进行了概述,简略描述了不同传输方案的原理和传输过程,进一步简要介绍了目前正在构建的大规模MIMO原型验证系统Argos和LuMaMi,并展示了不同原型验证系统的整体架构与组件.     

卫星辅助的去蜂窝大规模MIMO通感一体化系统

为了应对未来通信系统中物联网业务和数据业务需求的激增,以及通信与雷达频谱重叠导致的资源紧缺问题,同时提高系统容量和降低感知网络部署成本,卫星技术被认为是通信与感知一体化系统的有效辅助手段。对卫星辅助的去蜂窝大规模MIMO通感一体化系统架构进行深入研究,通过阐述信号处理流程,重点分析其通信性能,并利用仿真实验比较不同密集化部署和网络负载条件下的用户下行平均速率,验证了该系统有着比单纯地面去蜂窝大规模MIMO系统更优越的性能,为后续的星地融合通感一体化系统设计提供了指导和参考。     

基于全频谱共享的三维轨迹和功率优化方法

当前蜂窝系统频谱资源极度短缺,免授权频谱因而被建议在蜂窝系统中使用。无人机(UAV)的飞行轨迹和功率控制对频谱利用效率有重大影响。然而,基于频谱共享的3维轨迹和功率优化方法却鲜少研究。为此,该文首先提出一种全频谱共享方法,即无人机通过控制上行蜂窝用户和设备到设备(D2D)用户的发射功率,在不影响WiFi设备正常传输的前提下使用免授权频谱;同时无人机也能够在不影响其他下行蜂窝用户的前提下使用授权频谱。然后基于提出的全频谱共享方法,该文构建了无人机电池能量约束下的3维飞行轨迹和发射功率的联合优化问题。为了求解提出的复杂多变量耦合的非凸优化问题,该文采用块坐标下降和连续凸逼近方法将原问题转化为3维轨迹优化和功率控制两个凸优化子问题并迭代求解。大量仿真结果证明提出的基于3维轨迹和功率优化的全频谱共享方法能够显著提高频谱利用效率。     

泊松点距离约束下无人机辅助地面应急网络覆盖性能研究

在用户数量激增的应急通信场景下,为保证地面用户的通信质量,提出了基于距离约束的用户自适应接入方案。首先采用泊松点距离约束策略(Poisson Point under Distance Constraint, PPDC)对无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的位置进行建模,避免无人机区域重叠带来的干扰问题。其次,引入基站负载传输协议(Base Station Load Transfer Protocol, BSLTP),当接入基站的用户数量超过给定阈值时,超载用户由无人机提供服务。此外,分别分析了地面基站和无人机的覆盖性能,得到了系统整体覆盖概率,并研究了无人机高度、覆盖半径、激增用户密度对网络覆盖性能的影响。最后,通过仿真验证了理论结果的正确性,且所提部署方案能够有效提升网络覆盖性能。     

信道老化时高速移动大规模MIMO上行系统的性能分析

针对高速移动场景下大规模多输入多输出(MIMO)上行通信系统,推导了时变莱斯衰落信道中信道老化时大规模MIMO上行通信系统的可达和速率表达式,并且分析了信道老化对系统功率缩放准则的影响.理论分析与仿真结果表明,在时变莱斯信道中,每个用户的发送功率按照1/M进行缩放,信道老化仅会引起系统可达和速率的降低,而莱斯因子对系统可达和速率及功率缩放准则均有影响,且信道老化对系统可达和速率的影响较莱斯因子的影响可以忽略不计.     

基于通感融合的无人机预编码及飞行轨迹设计

无人机(UAVs)具有机动性强,低成本及易部署等特性,通过搭载通信及感知设备,支持通信与感知技术的高效资源共享,无人机可作为融合通信与传感技术的高性能空中平台。该文针对多输入多输出(MIMO)无人机使能的联合通信、感知场景,综合考虑无人机飞行能量、多天线传输及用户业务需求等限制条件,建模无人机通信、感知预编码及飞行轨迹联合优化问题为多目标优化问题,以实现通信用户最低速率最大化及目标最小发现概率最大化。由于通信用户最低速率最大化问题为非凸优化问题,难以直接求解,将原优化问题分解为通信预编码设计子问题及无人机轨迹设计子问题,并采用交替迭代法依次求解两个子问题直至算法收敛,其中,对于通信预编码设计子问题,提出一种基于迫零(ZF)算法的求解策略;对于无人机轨迹设计子问题,提出一种基于连续凸逼近(SCA)算法的求解策略。基于所得到的无人机最优轨迹,将无人机感知位置选择问题建模为加权距离和最小化问题,进而应用泛搜索算法优化确定目标感知位置,并设计基于ZF算法的通信感知预编码联合优化策略,以实现通信感知性能的联合优化。最后通过仿真验证了该文所提算法的有效性。     

大规模MIMO系统中动态导频分配

针对大规模多输入多输出(MIMO)系统中存在的导频污染问题,该文提出一种动态导频分配方案。所提方案利用目标小区与干扰小区用户之间的信号干扰强度差将干扰小区分为Uin和Uout两类,并对Uin中的用户进行最优导频分配,Uout中的用户进行随机导频分配来提升系统的平均下行可达和速率。同时,在存在额外正交导频组的情况下对所提方案做了进一步优化。仿真结果表明,所提的动态导频分配方案能够有效地提升大规模MIMO系统的性能。     

3D大规模MIMO系统中莱斯信道下的传输方案

针对三维(3D)大规模多输入多输出(MIMO)系统中莱斯信道模型,通过研究分析获得简单易行、频谱效率高的传输方案。考虑到莱斯信道中的散射信道获取较为困难,而视距信道获取较为容易,仅利用视距信道进行传输方案研究。首先通过用户调度算法解决了相邻用户之间干扰过大的问题,从而提升了系统的和速率;接着充分利用3D MIMO系统中水平和垂直维度的特点,采用域选择的预编码方法消除不同用户间的干扰并最大化信噪比,进一步提升了系统和速率。经过仿真验证,提出的3D大规模MIMO传输方案比以往方案具备更大的频谱效率。     

莱斯信道下低精度ADC去蜂窝大规模MIMO系统的性能分析

去蜂窝大规模多输入多输出(MIMO)系统被认为是未来6G通信的关键技术之一。然而,随着接入点(APs)和用户数量的激增,硬件成本问题成为了限制系统发展的重要因素。为了有效地降低硬件成本,可以考虑在AP和用户端配置低精度的模数转换器(ADCs)。基于上述原因,本文针对莱斯衰落信道下低精度ADC去蜂窝大规模MIMO系统展开研究。通过利用加性量化噪声模型,推导了该系统使用共轭转置预编码时的可达速率闭合表达式,并且该闭合表达式有助于研究AP的数量、ADC的精度以及莱斯K-因子对于可达速率的影响。此外,在保证每个用户的服务质量和每个AP的功率约束前提下,提出了一种能够最大化总速率的功率控制算法。最后,仿真结果表明了,相较不使用功率控制算法的情况,所提的算法能够带来更大的性能增益。     

大规模MIMO系统中的动态导频分配方案

针对多小区大规模多输入多输出(MIMO)系统中存在的导频污染问题,通过分析MMSE信道估计产生的误差,提出了一种动态导频分配方案.该方案将目标小区与相邻小区相邻的边缘区域内的用户进行动态导频分配,剩余区域内的用户进行随机导频分配来提升系统下行链路的平均可达和速率.仿真结果表明,该方法不仅能显著地提升信道估计的性能,而且还能有效地提高整个系统下行链路的可达和速率.     

Channel Magnifying Limited Feedback Technique for FDD Massive MIMO Systems

A limited feedback system, so-called, channel magnifying (CM) is proposed for a downlink (DL) frequency-division duplex (FDD) massive multiple-input multiple-output (MIMO) system. Although massive MIMO system has received significant research interest as a key technology for beyond 4G wireless communications systems, it has a number of issues that needs to be technically addressed. Among such issues is the difficulty of acquiring channel state information at transmitter for an FDD massive MIMO system which cannot exploit channel reciprocity as in a time-division duplex system. The proposed CM technique makes it possible to support a few user equipments in DL FDD massive MIMO system by finding a balance between spatial resources and channel quantization error (CQE). By choosing a subchannel with low CQE, CM can secure multiplexing gain at high SNR based on a fixed size codebook. Two types of subchannel indicator alignment (SIA) schemes are introduced for efficient interference nulling for the proposed CM technique. Specifically, we discuss how to maximize the sumrate of CM through genie added SIA and minimum CQE based SIA. Simulation results show that the sum rate of the proposed CM has a higher multiplexing gain than that of random vector quantization, especially when the number of transmit antennas is sufficiently large.     

大规模MIMO下最优预编码选择策略研究

大规模多入多出(Massive MIMO)系统中,随着天线数的增加,线性预编码算法的性能逐渐趋于最优,选择合适的线性预编码对系统性能具有重要的意义.针对发射端信道状态信息(Channel State Information at Transmitter,CSIT)不完美的Massive MIMO系统,推导出了迫零(Zero-Forcing,ZF)和最大比传输(Maximum Ratio Transmission,MRT)这两种常见预编码方案在向量归一化方式下的下行可达和速率下界,并给出了证明.随后对两种下界进行了分析,提出了一个关于系统用户数的阈值,当系统用户数和阈值的大小关系不同时,两种预编码性能的优劣关系也不相同.根据分析结果,文章进一步提出了一种以系统中用户数为参量的预编码选择策略,可以保证不论用户数如何变化,系统都能选择出更优的那一个预编码算法来对信号进行预处理.分析的有效性和方案的可靠性通过仿真得到了验证.     

Joint beam selection and user association strategy for beam space millimetre wave downlink systems

Beam space multiple‐input multiple‐output (B‐MIMO) systems operating at mmWave frequency in downlink uses different beam selection techniques for reducing the required number of radio frequency chains without apparent performance loss. In this paper, a joint beam selection and user association scheme with the objective of sum rate maximization is proposed. The proposed work on beam selection is based on a norm and uncorrrelation based approach, which considers channel correlation among the users so as to avoid inter‐user interference. Two different methods for beam user association with one modelled as a balanced assignment problem based on average sum assignment method and the other method that associates an optimal beam to every user by considering their channel gain values are also proposed along with beam selection. The proposed beam assignment methods are less complex and efficient in finding a suitable beam to every user within the cell. Simulation results show that the proposed method accomplish comparable performance in terms of sum rate and energy efficiency with appreciably low computational complexity relative to the existing methods in a correlated environment.     

基于联合用户分组及天线选择的大规模MIMO波束成形

大规模MIMO系统中,当小区用户数与基站天线数较大时,各用户的信道条件不尽相同,提出一种适用于大规模MIMO下行链路的基于联合用户分组及天线选择的迫零波束成形算法。将用户分成两组,选择信道条件较优的一组用户来接收信号,并为每一个发送数据流选择最优的基站天线组合进行通信,以较小的性能损失,换取大规模MIMO 射频电路的成本与功耗的大幅度降低。仿真结果证明,该算法能够较好地实现系统性能与硬件复杂度的折中。     

大规模MIMO系统中基于用户位置和用户分类的导频分配

针对大规模MIMO通信系统中存在的导频污染问题，提出了一种基于用户位置和用户分类的导频分配方案。该方案根据路径损耗和到达角设计目标函数及合理阈值，通过将用户的目标函数与阈值进行比较，把系统中所有用户分为高干扰和低干扰两类，接着为低干扰用户复用导频序列、高干扰用户分配额外正交导频序列来减轻导频污染。仿真结果表明，该方案提高了通信系统性能。     

多用户毫米波MIMO系统中基于信道互易性的混合模数预编码算法

本文针对多用户毫米波多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统,首次提出了分离子阵列MIMO混合模数预编码架构毫米波系统的一种模拟接收方案。将最大化和速率求解混合模数预编码的三元联合优化问题分成模拟和数字两部分求解,进一步提出了基于信道互易性的混合模数预编码算法。该算法通过最大化下行各个用户和上行各个子阵列的接收信干噪比分别求解模拟合并矢量和模拟预编码矢量;优化模拟部分后,设计发射端数字预编码器消除多用户数据流之间的干扰。数值仿真表明所提算法收敛速度快,且可获得接近最优纯数字预编码算法的性能。