多用户对双多向中继协同宽带无线网络干扰管理与优化设计研究

This project will focus on the study of multi-pair two-way relaying wideband wireless networks. Based on real channel model and system parameters,in the case of wideband and interference, we design optimal pilot pattern and channel estimator, and seek how to fully exploit space, frequency, and multiuser resources, by wideband beamforming and space-frequency channel pairing tools, to design a high-efficiency space division multiple access and information exchanging scheme, to improve the sum-rate of information exchanging/transmission and the performance of detection, and to manage the serious interference among user pairs at relay station (RS) with a high efficiency. We plan to derive and analyse the outage probability, symbol error rate, spectrum efficiency, asymptotic degrees of freedom and capacity when we can obtain ideal or not ideal channel state information and the number of antennas at RS approaches middle or large-scale. Then, we develop a high-sum-rate and low-complexity cascading transmission scheme at RS to achieve a joint optimal optimization of system as the number of antennas at RS approaches large-scale.The project research will result in a large progress on application of multi-pair two/multi-way relaying to the future generation mobile communication, satellite communication, mobile ad-hoc network, and public safe network,thus,its study has very important theory value and wide application potential.

本项目针对多用户对双多向中继宽带无线网络，基于实际的信道模型和系统参数设置，在宽带干扰环境下,设计最优的训练图样和信道估计器，探索如何充分挖掘空间、频率、多用户等多种资源的方法，如采用宽带波束成形和空频信道配对等多种手段，设计更加高效的空分多址多用户信息交换方案，提高该系统信息传输/交换速率与检测性能,高效地管理多用户对之间严重的干扰。在中继天线数趋向中大规模时，拟具体推导和分析信道信息完美与不完美时系统中断概率、误符号性能、频谱效率、渐进自由度以及容量问题，并构建此时该系统中继站高和速率与低复杂度的级联组合传输方案，最终达成联合优化。该项目的研究能够推动多用户对双多向中继协同技术更好地服务于未来代移动通信、卫星通信、移动ad-hoc网络以及公共安全网络，因此具有非常重要的科学理论研究价值和广泛的应用前景。

考虑到实际宽带多用户对双向中继系统中存在信道估计误差，构建了一种自适应的信道估计误差模型，将信道状态信息误差模型建模为与信道时延及信噪比相关的函数，并通过实时估计多普勒扩展和导频处的信噪比更新信道状态信息（Channel state information，CSI）误差模型系数，跟踪CSI的变化，实现自适应性。在此基础上提出了一种基于最大化信干噪比和最大化信泄噪比准则的自适应稳健波束成形算法。针对如何进一步提高中继协作通信系统可靠性的问题，在中继站引入空间信道配对思想，通过对中继上下行链路进行最优配对实现对系统空间信道增益的进一步挖掘。随后提出了一种基于空间信道配对和相干合并的交替迭代结构。对于给定相干合并算法，给出最优空间信道配对的近似解析解；对于给定空间信道配对算法，给出最优相干合并的闭式表达式。针对宽带OFDM多用户对双向中继无线网络，为了进一步提高系统和速率与误码性能，首先提出了一种基于最大化和速率的空频联合信道配对算法, 同时推导了该算法低复杂度的闭式表达式, 随后引入空频联合注水功率分配算法。利用对数正态衰落信道的统计特性研究了一种双向电力线通信（Power Line Communication，PLC）中继系统的性能，完成了接收信噪比概率分布函数的公式推导，并在此基础上推导了系统的中断概率，符号错误率和平均信道容量的计算公式。计算机仿真结果验证了推导的正确性，并且还发现，引入双向中继可以显著提高PLC系统的性能。本项目组所提出的预编码、波束成形、信道配对功率分配等算法以及系统容量、中断概率等性能分析可为未来多用户对双多向中继协同技术奠定基础理论，提供有益补充和新途径，可用于未来代移动通信、卫星通信、电力线通信、移动ad-hoc 网络以及公共安全网络等场景。