通用多天线多向中继网络的极限性能分析及预编码设计

Due to the ability in enhancing the spectrum efficiency of cooperative communications, physical-layer network coding (PLNC) has been regarded as one of the most promising techniques in the next generation of wireless communications. For using PLNC in practical systems, the key point is to study its application in multi-input multi-output (MIMO) multiway relay networks. To this end, we first construct a general model of multiway relay network, which can efficiently model most of the PLNC based multiuser relay networks. Secondly, to deeply understand the potential performance of the considered general multiway relay network, we investigate its performance limit by deriving the degrees of freedom (DoF) upper bound and analyzing achievable DoF. Thirdly, based on the obtained theoretic results, we study the precoding design of the considered general multiway relay network by constructing a uniform precoding design framework. The systematic comparison of performance, complexity and feedback overhead among different precoding schemes are also provided. Finally, we study the general multiway relay network with a non-ideal relay node. To show its performance limit, we investigate the asymptotic achievable rate and the relative multiplexing gain. The robust precoding design for the non-idea relay network is also treated. The research of this project will provide important theoretic and technical supports in extending the general multiway relay network to practical applications.

物理层网络编码可有效提高协作通信的频谱效率，是未来无线通信较有前景的传输技术之一。而为在实际系统中使用该技术，关键是研究物理层网络编码在多天线多向协作传输网络中的应用。本项目以此为立项依据，首先建立通用多天线多向中继网络模型，该模型可有效表征常见的基于物理层网络编码的多用户协作传输网络。其次，基于此网络模型，本项目将探索通用多向中继网络的极限性能，拟提出完整的自由度上界和可达自由度分析方案，为深入理解和挖掘网络潜在性能提供理论依据。再次，在该理论的指导下，本项目继续研究通用多向中继网络的预编码设计，拟建立统一的预编码优化设计框架，同时给出各预编码方案在性能、复杂度和网络反馈消耗等方面的系统比较。最后，本项目将前述研究推广至非理想中继场景，具体研究非理想中继网络的渐近可达速率和相对复用增益，及鲁棒预编码设计。本项目的研究成果将为推广通用多向中继网络至实际应用提供理论和技术支持。

物理层网络编码可有效提高协作通信的频谱效率，是未来无线通信较有前景的传输技术之一。而为在实际系统中使用该技术进一步提高频谱效率，研究物理层网络编码和多天线结合是研究的关键。本项目以此为立项依据，首先建立了通用多天线多向中继网络模型，该模型可有效表征常见的基于物理层网络编码的多用户协作传输网络。其次，基于此网络模型，本项目探索了通用多向中继网络的极限性能，提出完整的自由度上界和可达自由度分析方案，为深入理解和挖掘网络潜在性能提供理论依据。本项目的研究结果显示，当用户数数较少时，可以获得最优的自由度。而随着用户数目的增加，只能在发送天线和中继天线比较小或者较大的条件下，才能获得最优的自由度。再次，在该理论的指导下，本项目继续研究了通用多向中继网络的预编码设计，由于在基于网络编码的中继网络系统里，同时存在发送端、中继端和接收端的联合线性预编码设计，我们提出了交替迭代的预编码方案，且在求解中继预编码子问题中，我们发现可以找到中继预编码的闭式解，可以很好减低子问题求解复杂度。最后，本项目研究了非理想网络情况下的多向传输网络自由度分析和预编码设计。其中，在分析网络自由度方面，我们假设信道存在延时这种非理想情况，分析了信道延时对自由度的影响，并提出了干扰中和技术以提高网络的自由度。在预编码设计方面，我们提出了存在信道估计误差的预编码设计方面。除此之外，考虑到信道作为本项目重要信息，项目分析了中继信道的估计方法，并对导频优化和估计误差进行了较为充分的研究。