无线通信系统中高能效MIMO协作中继传输方法研究

The technology of wireless multi-input multi-output (MIMO) two-hop cooperative relay transmission has been intensively studied world-wide. However, the investigation of high-energy efficient MIMO relay cooperation has not received very much attention until recently. This project conducts a thorough study of highly energy-efficient MIMO cooperative relaying technologies. It includes (1) study of compressive sensing based energy-efficient sparse channel estimation techniques for MIMO cooperative relaying systems; (2) optimum design of energy-efficient MIMO relay and antenna selection strategies; (3) joint optimum design of highly energy-efficient beamforming and power allocation schemes; and (4) analysis of the energy efficiency, spectrum efficiency and the bit error rate (BER) of MIMO cooperative relay systems with an emphasis on the per-bit energy consumption of the relay system under different transmission rates. The objective of this project is to develop energy-efficient transmission techniques suitable for green MIMO cooperative relay communications including two-hop channel estimation, relay precoding and selection, joint power allocation and beamforming, all with high energy efficiency. A combined software and hardware platform will be developed to evaluate the performance of the proposed cooperative relaying system and the associated core technologies. The ultimate goal of the project is to strengthen our intellectual property standing and R&D capability in the world green wireless communication market.

当前国际上对MIMO两跳协作中继传输技术已经开展了大量的研究工作，可是对高能效无线传输技术的研究才刚刚受到关注。本项目将深入研究高能效的MIMO中继协作传输技术，内容包括：(1)研究基于压缩感知的无线协作MIMO中继系统的高能效信道估计方法；(2)优化设计MIMO无线协作中继的高能效中继选择与天线选择策略；(3)优化设计MIMO协作中继系统的联合高能效波束成型与高能效功率分配方案；(4)分析协作中继系统在各种不同传输速率下平均每传输一个比特对应的能耗值，并分析该系统对应上述传输技术的能效性能以及传统的频谱效率和误码率性能。本项目的目标是设计出适合绿色MIMO协作中继系统的高能效传输技术，特别是高能效的两跳中继信道估计方法、中继选择、高能效的联合功率分配与波束成型方案，并开发出相应的系统仿真软件和硬件实验测试平台，最终有利于提高我国在国际上的无线通信领域的知识产权地位和研发实力。

近年来绿色通信受到人们的广泛关注和研究，由于其侧重于系统付出的能耗代价与所获得的吞吐量性能、误码率性能、频谱效率等性能增益之间的折中，因此被认为是第五代移动通信的主要目标。本项目围绕绿色通信的目标对多输入多输出(MIMO)中继协作传输系统中的若干核心技术进行了深入的研究。主要研究内容包括：1）利用近几年快速发展起来的压缩感知技术，探索MIMO系统中信道稀疏特性，提出了若干种稀疏信道估计方法。2）考虑到对信道的估计也可以通过对入射信号的到达角进行估计来实现，我们针对基于稀疏表示的到达角估计理论进行了深入研究，针对不同的信号场景提出了多种测向方法。3）针对提出的高性能无线MIMO协作中继系统，推导出中断概率，遍历容量以及平均误符号率等主要无线传输性能指标的理论分析表达式，并给出相应算法对性能进行定量分析。4）通过对发送功率分配和波束成型权向量的优化设计，我们得到了相应约束条件下主要无线通信性能指标的最优解，并验证了所提优化算法的有效性。5）我们对认知无线电中的频谱感知技术也进行了深入研究。基于分数低阶矩和RAO检测我们提出了几种主用户检测的方法，从而提升频谱感知性能。6）我们还将压缩感知理论扩展到图像和视频处理领域，在目标检测、识别、追踪，视频重构等方面进行了深入研究，提出了几种基于压缩感知的目标检测与追踪方法。这方面的成果为我们将来研究面向智慧城市的无线通信打下了良好的基础。