大规模完全非正交多接入系统的关键技术研究

With the fast development of internet of things (IoT) and mobile internet, the next-generation wireless networks should support massive access. With respect to the case of the access with finite users, massive access faces a series of challenging issues, e.g. high resource consumption in channel state information acquisition, high dynamics of user scheduling, high computational complexity in interference cancelation, and high decoding error rate of simple devices. To solve these challenging issues, this project proposes a multiple-antenna system-based fully non-orthogonal multiple access framework. Specifically, the communication is non-orthogonal not only during multiple access, but also in channel state information acquisition. The proposed fully non-orthogonal framework can effectively increase the resource utilization efficiency, and thus meets the requirement of massive access. After understanding the potential, constraints and objective of the fully non-orthogonal multiple access framework, this project focuses on designing the techniques of efficient channel state information acquisition, dynamic user clustering, robust superposition coding, and error-tolerant successive interference cancellation. This project can provide feasible and effective strategies for the design of massive access systems, and gives theoretical basis and technical support for the research of next-generation wireless communication systems.

随着物联网和移动互联网的快速发展，下一代无线网络需要支持大规模用户的接入。与有限用户接入相比，大规模接入存在一系列挑战性的问题，如信道信息获取的高资源消耗、用户调度的高动态性、干扰消除的高复杂度和功能简单设备译码的高错误概率。为了综合解决上述问题，本项目提出了一种基于多天线系统的完全非正交多接入架构，即不但用户接入是非正交的，而且信道信息获取也是非正交的。这一完全非正交多接入架构有效提高了资源的利用效率，满足了大规模用户的接入要求。尤其是，本项目在深入分析这一大规模完全非正交多接入架构的潜力、约束和目标的基础上，研究和设计了高效的信道信息获取、动态的多用户分簇、鲁棒的重叠编码和容错的串行干扰抵消等关键技术，为大规模接入系统的设计提供了可行且有效的解决方案，也为下一代无线通信系统的研究提供了重要的理论依据和技术支持。

随着万物互联时代的到来，大量物联网设备需要接入无线网络。据预计到2025年，无线设备的数量将超过275亿。然而，传统的正交接入技术无法支撑大规模设备的接入。在这种情况下，本项目旨在利用有限的无线资源实现大规模非正交接入，即大量设备共享同一个资源块。大规模非正交接入面临高用户间干扰和高计算复杂度的问题。为了解决这个问题，本项目提出了一种大规模完全非正交接入方案，即不但信息传输是非正交的，信道信息获取和用户分簇也是非正交的，从而实现高效的大规模用户接入。尤其是本项目以蜂窝物联网为典型场景，分别设计了时分双工和频分双工两种模式下的大规模完全非正交接入策略，包括高效的信道信息获取、动态的多用户分簇、鲁棒的叠加编码和容错的干扰抵消。特别的，本项目发现了大规模非正交接入情况下的译码错误及其错误传播问题，提出了不完美串行干扰抵消的概念，建模了不完美串行干扰抵消因子，揭示了信号接收功率与残余干扰之间的关系，从而设计了有效的降低不完美串行干扰抵消影响的方法。本项目出版专著2部，发表学术论文36篇，申请专利18项，获德国弗里德里希•威廉•贝塞尔奖和中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖。项目负责人入选浙江省杰青、青年拔尖人才和爱思维尔中国高被引学者，培养的学生入选德国洪堡学者。