中继增强型的毫米波MIMO关键技术及通信理论研究

Millimeter wave MIMO communications can achieve high speed transmission of uncompressed video stream, which have been investigated extensively. In order to overcome the problem of high path loss and RF precoding can’t be achieved in the baseband of millimeter wave MIMO, the project targets to carry out the design of millimeter MIMO high speed transmission, distributed collaborative transmission of millimeter relay and network hierarchy implementation to expand the research of relay enhanced millimeter wave MIMO theory and methods. The project tries to establish the joint optimization theoretical model of space, time and frequency resources in millimeter wave relay network based on the limited feedback and distributed precoding design theory, focus on discussing the novel realization methods of different frequency heterogeneous network collaborative hierarchy optimization through hierarchy optimization realization of multi- dimension spectrum coupling degree analysis. The results can reveal the new principle of distributed collaborative transmission mixed with MIMO theory in high spectrum frequency. Expected achievements can solve the interlayer interference problem effectively and provide a theoretical basis and technical support for the 5G broadband mobile communication system.

毫米波MIMO通信可实现无压缩视频流的高速传输已得到较为广泛的研究。本课题针对毫米波MIMO通信路径损耗过高及其分布式预编码在基带无法实现的问题，拟从毫米波MIMO高速传输设计、毫米波中继分布式协同传输和网络分层优化实现三个方面展开新型中继增强型毫米波MIMO通信理论和方法的研究。本课题拟基于毫米波MIMO通信的有限反馈实现及分布式预编码设计理论，尝试建立毫米波中继网络内潜在的空、时、频域等多维度高频段资源的联合优化理论模型，并通过多维度频谱资源耦合度分析的分层优化实现方法，探索毫米波中继网络内跨层协作调度的优化机理，重点探讨不同频谱资源下叠加覆盖异构网络的多点协同分层优化实现新方法，揭示高频段下多天线融合的分布式协同中继传输的新原理，预期成果可有效解决异构网络的层间干扰问题，为5G宽带移动通信系统提供理论依据和技术支撑。

本项目针对毫米波MIMO通信路径损耗过高及其分布式预编码在基带无法实现等相关问题，在毫米波MIMO系统的信令交互协作传输机制设计、中继增强型的多天线协作传输预编码理论及资源分配方案和中继协同的高频段毫米波系统性能分析三个方面取得了一系列科研成果。首先，通过物理层和MAC层的跨层协作，对现有毫米波MIMO标准进行了改进，设计了适用于超高速传输的自适应带宽发送、不等带宽发送、OBSS空分干扰避免、多跳网络编码协作等传输机制，所设计方案或算法可有效提升边缘/OBSS用户的服务质量；然后，通过大规模MIMO导频设计、收发机联合优化的预编码设计、多小区干扰容忍传输、干扰窃听协议设计、动态博弈的信源信道优化求解等多维度资源的耦合分析方法，有效提升了毫米波中继网络的整体性能；最后，通过凸优化、主导理论、概率密度函数分析法和矩阵分析等有效手段对所提方案和算法进行了理论分析和性能验证，结果表明所提方法具有较高的优越性和可靠性，同时验证了研究过程中所提方案和算法理论分析的正确性。项目执行过程中出版著作3部，发表或录用SCI/EI等学术论文40篇(SCI期刊19篇)，获发明专利授权4件，受理17件，获自然科学论文奖2项，科技成果鉴定1项。通过本项目的研究，将有机会推动未来移动通信网络内低功率、高能效的毫米波中继发射接入及其优化部署研究的开展，为构造叠加覆盖的分层多通道异构传输网络奠定科学基础，带动低能耗、高能效的绿色通信技术产业的升级；同时，在科研过程中，项目组联合了国内可得到的部分优势力量，形成了在毫米波中继增强的协同传输方向具有一定特色的科研团队，项目组更深入的研究有望为5G/B5G等无线通信行业的发展做出更大贡献。