非理想分布式无线通信系统基础理论与仿真实现

Currently, the standardization for the 4G mobile communication system is proceeding rapidly, and it has become a common view that the infrastructure of wireless communications will evolve from cellular system into DWCS. Considering the practical constraints such as non-ideal antenna deployment, non-ideal joint signal processing, and non-ideal channel state information at the transmitter (CSIT), more and more researchers begin to focus on the non-ideal DWCS (NI-DWCS). However, the fundamental limit of NI-DWCS is still unknown. Also, there are only a few methods proposed for NI-DWCS, which can give consideration to both system performance and computational complexity. This project aims to characterize and address the scientific issues abstracted from the practicability of DWCS. First, we will establish the mathematical models for the problems of antenna clustering, cooperative cell grouping and collaborative power allocation; second, we try to discover the mathematical characteristics of the above-mentioned three problems; finally, we expect to propose a rule for determining the optimal antenna cluster size, a cooperative cell grouping method as well as collaborative power allocation schemes. Simulations will be provided along with the research. This project is fundamental since it focuses on discovering the mathematical characteristics of the problems of antenna clustering, cooperative cell grouping and collaborative power allocation, also is innovative since there are only a few existing results involved with this topic.

面向4G的标准化工作正如火如荼地开展，分布式无线通信系统（DWCS）最终取代蜂窝已成为共识。面对天线分布受限、联合处理受限和发送端信道状态信息（CSIT）受限等实用化约束，学术界对非理想DWCS（NI-DWCS）的研究正逐步兴起。但NI-DWCS的理论极限尚属空白，兼顾性能和复杂度的算法尚成果稀少。本项目致力于刻画并解决NI-DWCS中天线分簇、协作小区分组以及协同功率分配等关键问题，从 1）建立问题的数学模型，2）挖掘问题的数学特征，3）提出系统性能极限三方面开展理论研究，并提出实用化天线分簇准则、协作小区分组策略以及协同功率分配算法，完成仿真实现。本项目的特点是：1）基础性：揭示NI-DWCS中天线分簇、协作小区分组以及协同功率分配问题的数学本质，提出性能极限；2)创新性：NI-DWCS正逐步引起关注，但成果稀少，本项目在国际上较早地提出在此方向开展研究，有取得突破的潜力。

随着移动互联网的飞速发展，移动业务需求呈现爆炸式增长态势。目前，面向第5代移动通信系统(5G)的标准化工作正陆续展开。由于高效编码、高阶调制等链路级技术已经逼近香农容量极限，从无线网络层面提升性能已经成为未来移动通信技术演进的重要趋势。网络架构随之成为研究的热点。分布式无线通信系统(DWCS)通过分布式天线的协同处理，能够有效解决蜂窝架构的容量受限难题，应用前景广阔。. 本课题围绕DWCS在实用化过程中遇到的天线分布受限，联合处理受限和发送端信道状态信息(CSIT)受限等难题，开展非理想条件下的分布式天线协同处理理论与仿真实现研究，完成了计划研究内容，主要研究结果如下。. 针对天线分布受限难题，研究了天线单元分簇放置下DWCS系统的性能。天线分簇放置带来的核心挑战在于天线间的相关性，课题组提出了逼近系统和速率(achievable sum rate)极限的传输矢量优化方法，从而自适应地匹配天线相关性的动态特性，在天线分布受限条件下最大化系统性能。. 针对联合处理受限难题，提出了一种基于大尺度信道信息的协同分组方法，可显著降低处理复杂度。在此基础上，提出了一种基于局部小尺度信道信息和全局大尺度信道信息的联合波束成型方法，从而在联合处理受限条件下，通过低开销的组间协同，逼近全局联合处理的系统性能。. 针对CSIT受限难题，研究了基于大尺度CSIT的系统和速率表达式，在此基础上，提出了基于连续凸近似和鞍点理论的协同功率分配算法，通过迭代处理，优化调整小区间干扰的空间分布，从而逼近可达和速率极限，相比传统功率分配方法，系统性能显著提高。. 在无线通信领域的主流国际期刊IEEE Journal on Selected Areas in Communications(影响因子3.822)，IEEE Transactions on Vehicular Technology(影响因子2.483)，IEEE Communications Letters(影响因子1.342)等，和主流国际会议IEEE ICC，IEEE Globecom等上共计发表论文20篇，其中SCI收录9篇，EI收录11篇，已申请国家发明专利4项。研究成果在google scholar 被引用60余次，对于DWCS的实用化有指导意义。