双向中继通信系统中高谱效自适应传输方法研究

Wireless relaying technology has been widely adopted in wireless systems since it has the potential of improving system spectral efficiency, extending wireless service coverage and saving wireless resources. However, due to the half-duplex constraint, the spectral efficiency of one-way relay systems is hardly to be increased further. Two-way relaying has received a lot of attention because of its ability to significantly enhance the system spectral efficiency. Compared with one-way relaying, little research work has been done been done for the adaptive transmission schemes in two-way relay systems. The proposed research is to design and analyze new spectrum-efficient adaptive transmission schemes in two-way relay systems, which includes: 1) Application of adaptive modulation schemes in two-way relay systems 2)Design and analysis of novel adaptive transmission schemes based on source and relay selection 3)Design and analysis of novel adaptive transmission schemes combined with MIMO antenna selection 4)Derivation of the capacity of two-way relay systems under various adaptive transmission scenarios.

在无线通信网络中引入中继技术，可取得提高频谱效率、增大覆盖面和节省无线资源等诸多优势。然而，由于受到半双工通信模式的限制，单向中继系统的频谱效率受到严重影响。双向中继通信可以有效地提高单向无线通信系统的频谱效率，已获得越来越多的关注。相比于已相对成熟的单向中继通信系统，双向中继通信网络的自适应传输方案现有的研究成果仍然较少。本课题将围绕设计和分析双向中继通信系统中高频谱效率的自适应传输技术而展开研究：（1）自适应调制技术在双向中继通信中的应用；（2）基于信源、中继选择的自适应传输技术设计与分析；（3）利用MIMO系统天线技选择术，设计和分析双向中继通信的自适应传输方案；（4）推导不同自适应传输场景下双向中继系统的容量限。

双向中继技术可以有效地提高单向无线通信系统的频谱效率，自适应传输可以进一步提高双向中继通信系统性能。同时，双向中继通信的安全性能以及与其他通信技术的结合问题也越来越受到研究人员的关注。课题在双向中继自适应传输相关方向取得的主要成果包括：1）提出了一种最大化频谱效率的比特和子载波带宽自适应方案，基于完备和非完备信道条件，分别得到了相应的比特和子载波带宽自适应方法性能的闭合表达式；2）面向放大转发双向中继通信系统，提出了一种联合中继天线选择和数据交换的自适应传输方法。我们的方案比max-min、max-sum以及max-max方案都有较大的增益；3）研究了基于NOMA的协作中继系统中联合用户和中继选择问题，提出了一种最优的用户-中继配对算法。获得了中断概率的闭合表达式，并得到了高发射功率下的渐进表达式；4）提出了相关衰落信道下DF中继网络的分布式安全切换驻留合并方法，考虑了瞬时CSI和统计CSI两种已知信道信息情况，分析了所提合并方法的安全中断概率，分析了信道相关性对DF中继网络安全性能的影响。结果表明所提方法可以在低复杂度下达到最优机会式合并方法相同的安全中断性能。课题的研究成果发表在IEEE Transactions on Communications、IEEE Wireless Communications、IEEE Transactions on Vehicular Technology等国际知名期刊上，其中4篇论文入选ESI高被引论文。在本课题的资助下，项目负责人2018年获得了四川省学术和技术带头人后备人选荣誉，并获得了2018年度IEEE WCSP国际会议最佳论文奖。