面向蜂窝通信系统的全双工通信理论与方法

Full-duplex communication is an efficient approach to improve the spectrum efficiency of wireless communication systems. The feasibility of full duplex communication has been verified recently, but the realized performance is far less than theoretical expectations. We will study the application of full-duplex communication in high spectrum efficiency and high energy efficiency cellular systems. By taking into account the crucial impact of echo interference mitigation, we will explore the performance potential of full-duplex communication from a network perspective in the typical communication scenarios including single-cell single-user systems, single-cell multi-user systems, and multi-cell multi-user systems. We will reveal the relationship between system performance and uplink-downlink traffic loads of different cells, uplink-downlink quality of services of users, and system resources such as time, frequency, transmit power, antennas, users, and base stations. In order to achieve the performance potential under the complex interference environment caused by full-duplex communication, we will optimize the spectrum efficient transmission strategies, and make the first attempt of optimizing energy efficient transmission strategies. We will optimize the two-way transceivers and resources allocation, and develop suboptimal but efficient algorithms with low complexity for future cellular communication systems.

全双工通信是一种提高无线通信系统频谱效率的有效途径,其可行性已于近期得到验证，但是目前所实现的性能与预期的理论性能之间还有很大的差距。本课题面向高频谱效率和高能量效率蜂窝通信系统，围绕全双工通信中回声干扰抑制这一核心问题，针对单小区单用户、单小区多用户和多小区多用户三种典型场景，从网络角度挖掘全双工通信的性能潜力，揭示系统性能与时间、频率、发射功率、多天线、多用户、多基站等系统资源、以及小区上下行业务负载和用户上下行性能要求之间的内在联系，面对全双工通信所导致的复杂干扰环境，探索达到系统性能极限的高谱效传输机制，并首次尝试建立高能效全双工传输机制，在此基础上提出具有可实现性的低复杂度、高性能双向收发算法和资源分配方法，为全双工通信技术在未来蜂窝通信系统中的应用提供理论依据和关键技术。

随着5G蜂窝通信系统研究和标准化工作的全面启动，全双工技术受到学术界和工业界的广泛关注。在点对点通信系统中，现有工作已经实验验证了全双工技术可以成倍提高系统的频谱效率。在蜂窝通信系统中，全双工网络面临比传统半双工网络更复杂的干扰环境。此时，全双工网络是否优于半双工网络？在什么条件下优于半双工网络？增益有多大？如何配置系统资源来实现全双工网络的性能潜力？限制全双工网络性能的瓶颈因素是什么？全双工技术应如何应用于蜂窝通信系统？在自然科学基金的支持下，本项目围绕这些基本问题开展了研究工作。.研究结果表明全双工网络并不是永远优于半双工网络，取决于自干扰抑制的效果，并且全双工网络的性能增益取决于上下行业务需求非对称的程度。相对于静态TDD网络，全双工网络的性能增益随着双向业务非对称程度的增加而增加，最高可以超过100%；相对于动态TDD网络，全双工网络的性能增益随着双向业务非对称程度的增加而下降，在典型蜂窝系统参数配置下，当双向业务对称时，性能增益可达33%，而在典型的下行业务主导场景下，全双工网络的增益仅为1.9%-3.3%。因此，在蜂窝通信系统中应用全双工技术时，不能简单的将现有的半双工基站替换为全双工基站，而需要研究如何应用全双工技术来增强下行传输性能以满足较高的下行业务需求。为此，我们提出了两种在蜂窝通信系统中应用全双工技术的新机制：异构网中基于全双工的跨层干扰抑制技术和基于全双工的闭环波束赋形技术。这两种技术能够有效增强异构网络和闭环波束赋形系统的下行性能，为全双工技术在蜂窝通信系统中提供了新的应用场景。同时，我们提出了仅利用用户非理想位置信息的双向用户调度和基站双工模式选择方案，结果表明粗略的位置信息仍然可以有效提升全双工系统的性能，使其明显优于半双工系统，这可以大大降低全双工系统获取信道信息所需的信令开销，为全双工技术在实际蜂窝通信系统中的应用提供了支撑。