大规模天线环境下协作复用传输与干扰控制技术

Large-scale MIMO has been well acknowledged as one of the most essential techniques for next generation mobile communication systems due to its ability of dramatically improving the channel capacity along with the spectrum and power efficiency. With the increment of deployed antenna numbers, there emerge many challenges with respect to both cooperative transmission design and network interference control for future wireless systems. By focusing on the incorporation of large-scale MIMO in cooperative networks, this project aims at investigating the theoretical channel capacity, as well as achievable rate, of the system under a finite large number of antennas, hence characterizing the impacts of different system parameters including antenna number and cooperative schemes. Then, the effects of imperfect factors including pilot contamination and hardware impairments will be considered along with the robust design of low-overhead based cooperative transmission schemes using large-scale MIMO. Further by considering three different cooperative systems (i.e. relay cooperative, multi-cell cooperation, and dense heterogeneous networks), the problem of joint large-scale spatial and other resources allocation will be addressed for interference control and network performance enhancement. Finally, a carefully calibrated system-level simulator will be constructed for verification. We believe that the outcomes of this project will provide new theoretical results for the investigation on cooperative networks using large-scale MIMO, and also support the future applications of these techniques in terms of cooperative transmission design and interference control.

大规模天线技术具有极大提升系统容量、提高频谱和功率效率的优点，已被公认为未来移动通信系统中的关键支撑技术之一。在该技术环境下，随着天线数目极大增加，面向新一代移动通信网络的协作通信和干扰抑制面临着新的挑战。本项目考虑大规模天线技术与协作通信网络的融合，立足于探索有限维度大规模天线阵列下协作通信系统的信道容量，分析阵列天线数目、协作传输方式等对系统性能的影响，揭示不同协作方式下的可达传输速率。然后针对实际应用场景中导频干扰和硬件非匹配等非理想因素，提出低开销的大规模天线协作传输鲁棒性设计方法。进一步考虑大规模天线环境下的中继协作、同构协作及密集覆盖异构网络，利用高空间维度联合优化网络资源分配，抑制网络干扰，提升系统吞吐量。最后将采用经严格校准的系统级仿真平台进行验证。本项目将为大规模天线环境下的协作传输研究提供新的研究思路和理论指导，为新环境下协作传输优化设计和网络干扰抑制给予技术支撑。

本自然科学基金项目主要围绕大规模天线环境下协作复用传输与干扰控制技术开展研究。课题组面向未来5G移动通信系统，根据项目申请书中拟定的内容分别针对大规模MIMO系统协作传输理论性能分析、基于非理想参数的大规模天线协作传输优化设计、大规模协作网络中资源优化配置和干扰抑制三大内容进行了研究，取得了预期的成果。具体而言，课题首先针对大规模MIMO系统中的可达信道容量进行了分析，揭示了系统天线数目、硬件构架中射频链路数目、AD/DA量化器的精度以及用户调度数目对系统性能的影响；特别对大规模MIMO中继的射频链路数与天线数的数量关系进行研究，准确给出了射频链路数和天线数的关系，证明了这种数量关系对多用户干扰消除产生有用的结论并可以降低多用户和中继的发射功率。其次，针对采用低精度AD/DA的大规模MIMO系统，我们通过贝塞尔函数和欧拉常数的定义和性质，论证信道矩阵列向量间的近似正交性。在此基础上，我们推导可达速率的一个紧致下界，并分析天线数、用户数、ADC精度以及信噪比等系统参数对速率的影响。最后，针对未来异构协作网络，根据系统不同协作模型，提出了有效的干扰抑制及资源调度方法，同时针对异构网络中用户接入和功率控制的联合优化问题，我们还提出一种负载均衡的用户接入方法。相关成果发表高水平学术论文数十篇，获得多个国际会议的最佳论文奖，提交国际、国内专利申请十余项，获得多项国内及国际专利授权。项目开展过程中，培养硕士、博士研究生共17名，其中作为指导教师指导硕士研究生获得2018年江苏省优秀硕士学位论文奖。研究成果为5G网络中的大规模MIMO硬件实现提供了参考和建议。