非理想条件下的全双工MIMO系统的自干扰消除研究

As one of the key technologies of 5G mobile communication, full-duplex technology can get twice as high spectral efficiency as a conventional half-duplex radio. However, full-duplex technology is facing the serious problem of self-interference. Therefore, how to cancel the self-interference is an essential problem of full-duplex technology. Aiming at the limitation of ideal research on full-duplex, this project is dedicated to research on the self-interference cancellation technology under the condition of channel estimation error and power efficiency requirement. The main research aspects are: first, explore a full-duplex multi-user MIMO system model conforming to the practical application of new generation mobile communication; Second, analyze the achievable rate performance under the imperfect channel information condition, propose a self-interference cancellation method based on pre-coding technology through the achievable rate optimization problem; Third, analyze the system rate under different user paring states, research on a QoS constrained power minimization design to cancel the self-interference through the optimization of system parameters. The realization of this project will provide an efficient self-interference cancellation theory and method based on optimization theory, and has great significance on the new generation mobile communication.

全双工技术作为5G移动通信的关键技术之一，理论上其最大频谱效率可比传统的半双工技术提升一倍。然而全双工系统面临着严重的自干扰问题，因此如何有效地消除自干扰是当前全双工技术研究中的关键问题。本项目针对目前全双工自干扰消除的“理想化”局限性，致力于研究非理想条件下，即存在信道估计误差和功率有效性要求下的“实用化”自干扰消除技术，主要研究内容为：首先探索面向新一代移动通信应用的全双工多用户MIMO通信系统模型；其次分析信道估计非理想条件下的系统容量性能，提出采用预编码优化方法来解决自干扰问题，研究并解决速率最大优化问题从而达到消除自干扰的目的；最后分析在不同用户配对状态下的全双工系统总功率，研究QoS约束条件下的发送功率最小化问题，利用优化系统参数来消除自干扰。本项目的实现，将形成一套高效的基于优化的自干扰消除理论与方法，对进一步开拓新一代移动通信的理论研究和技术实现具有重要意义。

万物互联及大数据时代的来临导致移动数据业务和流量的急剧增加，超低时延、超高效能、超高可靠性和超高密度连接成为未来移动通信系统的必备要求，现有的移动网络架构与终端设备已经无法满足这些不断增长的需求。基于以上现实背景，为进一步开发移动设备的潜在能力，全双工技术可实现同时同频发射和接收信号，理论上最大频谱效率可以提升一倍，并可实现更加灵活的频谱使用方式，但全双工技术同时也面临着严重的自干扰问题。.本项目针对目前自干扰消除技术的“理想化”局限性，主要致力于研究存在信道估计误差和功率有效性要求下的“实用化”自干扰消除技术，建立具有实用性的全双工通信模型。主要研究内容和重要结果如下：. 1. 建立起符合下一代移动通信实际应用的基于全双工技术的多用户MIMO通信系统的理论模型，模型主要考虑非理想信道估计条件下的自干扰消除和功率有效性要求下的自干扰消除问题。. 2. 研究信道估计非理想条件下的自干扰消除理论方法。通过建模一个联合用户配对和功率分配的优化问题来最大化系统速率，结果表明，在非理想信道状态信息条件下，使用提出的算法优化后，全双工MIMO蜂窝系统性能优于半双工系统。此外，还分析了不同类型干扰对系统性能的影响，表明信道估计误差对性能影响最大。. 3. 研究功率有效性要求下的自干扰消除理论方法。通过建立一个多用户的FD-MEC模型，对通信资源和计算资源进行联合优化分配，提出的通信处理方法在保证系统延时和功率约束的前提下具有显著降低系统能耗的优势。.本项目致力于研究存在信道估计误差和功率有效性要求下的“实用化”自干扰消除技术，力争建立具有实用性的全双工通信模型。该模型可应用于 5G 通信系统中，为其提供关键理论与技术，加速其产业化进程。同时本项目对进一步开拓新一代移动通信系统的理论研究和技术实现具有重要意义，将能促进我国移动通信技术水平的提高，实现我国移动通信技术研发与产业化的发展，并有助于提高在全球移动通信领域的国际竞争力。