已知与未知发射端信道信息干扰中和与对准理论研究

Explore new way to increase the capacity of cellular systems from the respective of efficient interference management instead of coherent base station cooperation. On the basis of new understanding on the role of spatially independent channels on the increase of spectral efficiency, we study new principle and mechanism to efficiently exploit various resources by neutralizing and aligning interference after ensuring diversity and multiplexing gain for desired signals. To this end, we analyze the degrees of freedom (DoF) of the multi-input multi-output interference broadcasting channel (MIMO-IBC) with and without the aid of relaying, and optimize the transmission strategies to achieve the maximal DoF when channel state information is or is not available at the transmitters. From these analysis we can find the potential of downlink cellular systems, reveal the contribution of multiple base stations, multiple relays, multiple users, multiple antennas and multiple subcarriers to the capacity of interference broadcasting channels and the inherent similarity and difference of various spatial and frequency dimensions. We will propose interference management strategies that achieve the maximal DoF for various system settings under symmetric or asymmetric flat fading or frequency selective channels. To deal with the challenge of the DoF analysis for general IBC, we try to find a unified analytical framework to derive the maximal DoF of the MIMO-IBC with or without relaying, with or without symbol extension under symmetric or asymmetric channels, by analyzing the feasibility of the interference-free transmission equations. The results are expected to provide theoretical foundation of achieving high spectral efficiency for future cellular networks with low system costs.

从高效管理干扰而不是相干基站协作传输的角度探索提高蜂窝系统容量的新途径，在重新认识空间独立信道对提高频谱效率作用的基础上，研究在保障信号分集、复用增益的前提下,通过干扰中和与对准高效利用各种资源的新机理。为此，沿着分析当发射端有/无信道信息时多天线干扰广播信道及中继辅助干扰广播信道的自由度、及以最大自由度为目标进行传输优化的思路，探索下行多天线蜂窝系统的传输潜力，揭示多基站、多中继、多用户、多天线、多载波资源对有/无中继辅助干扰广播信道自由度的贡献及其相互制约的基本规律，提出在不同系统配置、不同信道条件下达到最大自由度的最优干扰管理策略。为了解决分析一般干扰广播信道最大自由度时所面临的挑战，从分析无干扰传输方程可行性的充分必要条件出发，以统一的理论框架分析有/无码元扩展、有/无中继辅助的干扰广播信道的最大可达自由度。旨在为未来蜂窝通信网络以低系统代价实现高频谱效率奠定理论基础。

干扰对准和干扰中和突破了传统网络信息论的限制，为设计低协作开销，高频谱效率的多小区传输方法提供一种全新的思路，是一种非常有潜力的干扰管理技术。本项目以干扰对准和干扰中和为基础研究了各种干扰网络的传输潜力和有效的干扰管理算法。具体研究内容包括：1）当发射端有信道信息时，分析多天线干扰广播信道及中继辅助干扰广播信道的信息论意义的最大自由度，揭示了下行多天线蜂窝系统的传输潜力，分析了多基站、多中继、多用户、多天线资源对有/无中继辅助干扰广播信道自由度的贡献及其相互制约的基本规律；2）分析了能够达到最大自由的干扰对准和干扰中和技术，指出在不同系统配置下如何处理干扰来达到最大自由度；3）当发射端未知信道信息时，利用拓扑信息设计了能够在超密集异构网络中最大化资源利用率的用户接入、调度和资源分配方法，通过建立统一的干扰拓扑，利用图论方法获得了低复杂度的干扰管理算法；4）当系统已知用户需求或可预测情境信息时，研究了联合干扰管理和资源分配的方法，可以在满足用户需求的前提下提高网络性能。本课题取得了重要的理论成果，共计发表（或录用）无线通信及信号处理领域顶级国际期刊论文4篇（SCI源），国内期刊论文3篇，国际会议论文5篇（EI源），正在评审国内期刊1篇和即将投出国际期刊论文2篇，申请了国家发明专利4项。这些创新性成果不仅为处理干扰网络中的干扰瓶颈问题提供了理论依据，也为5G和未来的通信网络有效管理干扰提供了可行技术。