多向大规模MIMO中继系统频谱效率的研究

The wireless communication system combined with massive MIMO and relay technologies has attracted a lot of research attention from both academia and industry, since it can satisfy the demands of high speed and link reliability for future mobile communications. Compared with conventional one-way and two-way massive MIMO relay systems, the multi-way massive MIMO relay technology has a more remarkable superiority in improving spectral efficiency and thus has been regarded as one of the key technologies in the next-generation wireless communications. This project aims to intensively investigate the spectral efficiency of multi-way massive MIMO relay systems. Firstly, we will use random matrix theory to analyze and compare the spectral efficiency under common decode-and-forward and full-duplex relaying protocols. Then, we will research on the spectral efficiency under the effects of Rician fading and channel aging in practical propagation environments. Based on the above research works, we will further design an optimal power allocation algorithm at users and the relay by employing convex optimization theory and then propose a suitable pilot scheme, in order to improve the spectral efficiency with effectively using channel resources. This project will adequately study the performance analysis of multi-way massive MIMO relay systems with great practical significance, which will provide the theory basis and technical support for the developments and practical applications of the future wireless communication technologies.

大规模MIMO技术与中继技术相结合的无线通信系统可满足未来移动通信对高传输速率和高链路可靠性的要求，引起了学术界和工业界的密切关注。相较于普通的单向和双向大规模MIMO中继系统，多向大规模MIMO中继系统在频谱效率方面的优势更为显著，被认为是下一代无线通信中最具潜力的关键技术之一。本项目以多向大规模MIMO中继系统为研究对象，对其频谱效率展开深入研究。首先利用随机矩阵理论分析并比较在解码转发和全双工中继策略下系统的频谱效率；然后研究在实际传输环境中常见的莱斯衰落和信道老化等因素下系统的频谱效率；在此基础上，利用优化理论进一步提出用户和中继发送功率的最优分配方案，并设计合适的导频调度机制，从而在有效利用信道资源的前提下实现对系统频谱效率的优化。本项目充分完善了多向大规模MIMO中继系统在性能方面的研究，具有非常重要的实际意义，为推动未来无线通信技术的发展和实际应用提供了理论基础和技术支撑。

本项目以大规模MIMO通信系统为研究对象，对该系统的预编码、资源分配、信号传输方案等重要方面进行了深入研究。. 首先针对3D天线与宽带毫米波信道的大规模MIMO系统，根据不同信道特征分别构建合理的系统数学模型，借助水平域-垂直域干扰消除、域选择、联合空分复用等方法为3D大规模MIMO系统发展了多种高接收信噪比的预编码方案，并为全连接结构、半连接结构、宽带频率选择结构的毫米波大规模MIMO系统设计了高速率的模拟-数字混合预编码方案。.其次针对中继大规模MIMO系统，引入能量采集型终端，充分考虑了能量信号与信息信号的不同分割方式，面向用户公平性、频谱效率、和容量等系统性能指标，优化了信号在时间域和功率域的分割，并提出了一种能覆盖时间切换与功率分割两种信号分割方式的时间-功率混合信号分割，形成了相应的信号传输方案，进一步提升了系统频谱效率。.第三针对多用户MIMO系统，本项目在接收端引入能量采集型接收机对干扰信号进行了能量利用，从用户的速率与能量两个需求出发，深入探索了干扰对齐与干扰限制技术在多用户系统中的应用，面向线性与非线性两种不同的能量采集模型，构建了信噪比和采集能量的双目标优化问题，给出了对应的发射预编码与接收解码方案，实现了速率与采集能量的双重提升。.最后，为了进一步提升大规模MIMO系统的频谱效率并降低功耗，本项目研究了智能反射面辅助的非正交多址接入技术，针对单小区、两小区、多小区等不同系统模型，借助相位旋转、功率分配、联合接收以及群体串行干扰删除等方法，为上下行链路建立了信号传输方案，有效降低了系统功率消耗。.本项目顺利取得了一系列获得国内外认可的研究成果，完成了预期的项目指标，并为大规模MIMO技术的发展提供了充分的理论依据和技术支撑。