基于全双工技术的宽带无线通信系统的能效优化研究

In order to solve the spectrum scarcity of traditional wireless communication systems, this project adopts the full-duplex based data transmission technique, aiming to study the key technologies of future high energy-efficiency wireless broadband systems. First, efficient node transceivers and power control strategies are proposed to improve the energy efficiency of cellular communication networks deploying full-duplex base station. Afterwards, it studies the joint power and subcarrier assignment problem for such system by generalizing the objective function and the corresponding resource constraints, in order to maximize the system energy efficiency and to improve the user fairness. Then, the project further considers the application of full-duplex technology in broadband cooperative relay systems, and studies the performance improvement brought by multiple-antenna and bi-directional relay techniques. Specifically, the application of the promising hybrid single-carrier and multicarrier scheme is discussed in details. The theoretical outputs of the project will offer original innovation to the wireless full-duplex cellular and cooperative relay systems, and the technical transfer of the corresponding patents will benefit upgrading the electronic information industry of China.

为了解决传统无线通信系统频谱利用率不足的问题，本项目采用基于全双工通信的数据传输技术，对能够实现未来高能效宽带无线通信系统的若干关键技术进行研究。首先，本项目通过设计高效的节点信号收发机以及功率控制策略来提高全双工基站蜂窝通信系统的能源效率。然后，通过扩展相关的目标函数和约束条件，研究多用户间子载波与功率的联合分配方案，以保证全双工系统的能源效率和用户调度公平性。接着，进一步考虑将全双工中继协作通信引入宽带通信网络，研究中继端多天线技术以及双向中继通信对系统性能的提升，并探讨了混合单载波/多载波技术在这一网络结构中的应用与优化。相关理论成果将丰富并发展全双工宽带无线传输技术的基础理论和应用；相关新技术、发明专利将会通过快速成果转化来推动我国新型电子信息产业的发展。

本项目针对宽带全双工多天线及中继系统的关键技术展开研究，研究内容包括：设计能够提高能源效率的全双工功率控制、发射波束成型及系统资源分配方法；设计优化全双工中继系统通信能源效率的中继信号处理、策略选择及网络节点配置算法；设计新型宽窄融合网络应用场景下的混合接收机；开发原型系统并进行性能测试与分析。经过三年的艰苦努力，项目组在以下三个方面取得了进展：..1）针对集中式大规模全双工多天线系统，设计了两种低复杂度的多播波束成形方案来提高能源效率和频谱效率，一种以大规模用户调度为中心，另一种以高效内容分发为中心。针对分布式大规模全双工多天线系统，设计了一种同时支持多播和单播传输的非正交传输方案来提高能源效率和频谱效率。基于上述系统模型，研究了对应的发射波形设计优化方法，通过不同的多用户调度策略，证明了模型的有效性和准确性。..2）优化全双工中继无线宽带系统的通信能源效率。针对单跳链路，研究了多全双工中继节点存在的首跳链路与次跳链路的信号耦合问题，并提出了最优能源效率的联合资源分配设计方法。针对混合半双工/全双工中继节点，考虑随机能量到达模型，开发了一种最优传输策略获得最大的系统吞吐率。针对多跳链路，研究了全双工中继端到端中断概率约束下的多跳传输能力，准确量化了能够支持的多跳传输数量。为了进一步提高能源效率，设计了一种基于无人车的移动反射式全双工数据通信方法，并研究了无人车基于能源效率最大化的运动轨迹优化与功率分配策略。这些系统设计方案和优化算法策略能够有效促进全双工中继网络技术的应用。..3）针对未来宽带通信系统中宽窄融合网络演化趋势，本项目研究了适用于大规模终端接入场景的高效随机接入算法。该算法在项目组基于软件无线电的物联网系统开发平台上运行正常，并且满足 3GPP 对宽带蜂窝网络下并发窄带物联网通信的性能要求。为了验证开发的相关技术，还利用软件无线电硬件平台及软件开发平台进行了相关性能测试；自主开发了包括接收机的信号检测方法设计，中继节点信号处理方法、能量分配方法等设计，获得了多项授权发明专利；..总的来说，项目组圆满完成了既定研究任务，并开展了相关延伸课题的初步研究。项目主要成果包括9篇期刊论文，其中7篇发表在IEEE系列期刊上，两篇受邀论文分别发表在《无线电通信技术》和《移动通信》上；获得授权发明专利4项；培养博士生2人、硕士生5人。