MIMO中继系统中基于多维矩阵的信号处理技术研究

Unlike low-rank decomposition of two-way arrays, which has rotating ambiguity, low-rank decomposition of multi-way arrays is unique when loading matrices satisfy some conditions. Dimensions of multi-way arrays model can be associated with several signal dimensions such as space, time and frequency. By fitting the multi-way arrays model, signal, channel and other parameters can be estimated without or with only a little specific information such as the channel state information (CSI) and coding matrices. It has been revealed in some previous work that the integration of multiple-input multiple-output (MIMO) relay and signal processing technologies based on multi-way arrays, will significantly improve the effectiveness and reliability of the wireless communication system. However, only a small number of works have developed technologies based on multi-way arrays in MIMO relay systems, and those works are mostly limited to signal processing technologies based on three-way arrays for one-way two-hop MIMO relay systems. Therefore, our study plans to conduct in-depth research into signal processing technologies based on multi-way arrays for MIMO relay systems. Our research establishes the theoretical and technical foundation for the development of wireless communication in this respect. The main contributions of this project can be summarized as follows: novel schemes of signal transmission and processing are proposed, new multi-way arrays models are constructed and analyzed, high-performance fitting algorithms of multi-way arrays are designed.

与二维矩阵低秩分解存在旋转模糊性不同，当加载矩阵满足一定条件时，多维矩阵具有低秩分解唯一性。多维矩阵模型的维度可与信号的空间、时间和频率等维度相关联，在分解唯一性的基础上，通过拟合多维矩阵模型，无需或仅需少量的信道状态信息（CSI）和编码矩阵等信息，就能实现信号和信道等参量的估计。已有研究表明，基于多维矩阵的信号处理技术与多输入多输出（MIMO）中继技术的结合能充分利用空域、时域和频域等资源，进一步提高了无线通信系统的有效性和可靠性。然而现有相关研究仍然太少，且主要局限于单向两跳MIMO中继系统中基于三维矩阵的信号处理技术。本项目全面而深入地研究MIMO中继系统中基于多维矩阵的信号处理技术，为未来多维矩阵技术在MIMO中继系统以及其它无线通信系统中的应用奠定理论和技术基础。项目创新点主要包括：提出新颖的信号传输和处理方案；构造新的多维矩阵模型并分析其性能；设计高性能的多维矩阵拟合算法。

为了满足用户日益增长的高速率和高可靠性等通信需求，移动通信在信号处理技术方面将寻求新的突破，能进一步提高频谱效率、降低能耗和提高系统可靠性的新技术成为当前研究热点。基于多维矩阵的信号处理技术与多输入多输出（MIMO）中继技术的结合，能充分利用空域、时域和频域等各种维度资源，进一步提高了通信系统的有效性和可靠性等性能，得到了学术界和业界的关注和研究。然而，目前这方面的相关研究太少，尚处于起步阶段。本项目以MIMO中继系统中基于多维矩阵的信号处理技术为核心，全面深入地展开了研究，主要研究内容包括：（1）针对具体MIMO中继系统设计基于多维矩阵的信号传输和处理方法的研究；（2）多维矩阵模型构造和拟合算法的研究；（3）多维矩阵与MIMO中继通信新技术的扩展研究。在研究过程中，针对不同MIMO中继系统，提出了一系列基于多维矩阵的信号传输和处理方法，与已有方法相比，所提方法在信道估计精度和符号检测精度上有了明显的提高；构造了一系列新的多维矩阵模型以适应不同的通信系统，同时设计了高效的拟合算法来拟合所构造的多维矩阵模型，与已有拟合算法相比，所设计的拟合算法具有更快的拟合速度或者更高的拟合精度；对多维矩阵新的应用和新的MIMO中继通信技术做了初步的探索研究以及性能分析，为多维矩阵技术与新中继技术以及其它新通信技术的融合提供了一定的理论支撑。总的来说，本项目的工作丰富了多维矩阵技术在MIMO中继系统中的应用研究，为未来多维矩阵技术在MIMO中继系统以及其它先进无线通信系统中的应用研究提供了新的理论基础和方法指导。