高速移动环境下动态网格多载波通信及协同传输研究

With the rapid development of the high speed railway, motorway as well as the civil aviation, there is increasing requirement for the broadband access in the high-speed mobile environment. As a result, how to enhance the transmission capacity of wireless communication links in the high-speed mobile environment has become an urgent problem to be tackled with. On the other hand, in the high-speed mobile environment, the doubly dispersive property of OFDM further degrades system performance. The proposition of dynamic lattice multicarrier modulation system presents an effective way to increase the transmission capacity in high-speed scenario. The non-stationary signal processing, subspace interference avoidance, estimation and detection theory and compress sensing theory are introduced to deal with the new problems such as the correlated interference of dynamic lattice multicarrier modulation system, non-stationary doubly dispersive property of wireless channels introduced by high-speed mobile environment as well as the extreme asymmetric characteristic of relay links. Based on the design of dynamic lattice multicarrier modulation system with perfect knowledge of CSI, the design and estimation methods with non-ideal CSI are consider. Moreover, with the help of the technologies of mobile relay and opportunistic network coding, we further study the mechanism which improves the achievable diversity and the coverage of high speed users. This project intends to provide the theoretical bases and effective design criteria and principles for the application of dynamic lattice multicarrier modulation system in the high-speed mobile environment.

随着高速铁路、高速公路及民航大规模运营使得对高速移动环境下宽带无线接入的需求日益增加，如何提高无线通信链路在高速移动环境下的传输能力是亟需研究解决的重点问题。在高速移动环境下OFDM对双弥散信道敏感的固有缺陷会导致系统传输效率成倍下降，动态网格多载波调制系统的出现为提升高速移动环境下的传输能力开辟了有效的途径。针对动态网格多载波调制子信号间固有的关联干扰、由高速移动环境带来的无线信道的非平稳双弥散性及中继链路的极端非对称性等新问题，采用非平稳信号处理、子空间干扰避免、估计检测理论、压缩感知等理论，从信道信息理想已知时动态网格多载波调制信号优化设计入手，进而研究非理想信道条件下的优化设计与估计检测方法，并结合移动中继和机会网络编码等先进技术，探索进一步优化系统分集增益实现对高速移动用户有效覆盖的方法。本项目将为动态网格多载波调制在高速移动环境下的应用奠定理论基础，并得到有效的设计准则和规律。

随着高速铁路、高速公路及民航大规模运营使得对高速移动环境下宽带无线接入的需求日益增加，如何提高无线通信链路在高速移动环境下的传输能力是亟需研究解决的重点问题。在高速移动环境下OFDM对双弥散信道敏感的固有缺陷会导致系统传输效率成倍下降，动态网格多载波调制系统的出现为提升高速移动环境下的传输能力开辟了有效的途径。本项目针对动态网格多载波调制子信号间固有的关联干扰、无线信道的非平稳双弥散性及中继链路的极端非对称性等问题，首先研究了non-WSSUS信道下动态网格多载波调制信号的优化设计与估计检测方法；之后借助机会网络编码、全双工、大规模MIMO等技术，研究非对称信道条件下动态网格多载波系统的移动中继与自适应协同通信方法，从而进一步优化移动中继的覆盖能力。主要创新包括：1）给出了非平稳WSSUS信道下动态网格多载波通信系统的性能上限，提出了基于最大化信干噪比准则的信号优化设计方法，提高了非平稳WSSUS信道下动态网格多载波系统的传输可靠性；2）提出了基于时频二维子空间投影的动态网格多载波通信系统时间和频率同步方法及其简化算法，提高了非平稳WSSUS信道下时频同步的鲁棒性；3）提出了基于过时信道信息、统计信道信息的移动多中继选择与协同传输方法，在瞬时信道信息无法有效获取的条件下，显著提高了移动中继系统的传输可靠性；4）提出了适用于移动中继传输的基于信道状态分级的机会网络编码的传输方法，能够有效克服无线信道衰落、链路质量非对称、非同步等客观因素的影响，固化网络编码的性能增益；5）针对同频全双工技术引入到移动中继中的带来的复杂干扰问题，提出了干扰受限条件下的机会双工传输方法，进一步提高了系统的频谱效率；6）提出基于统计波束成形的大规模MIMO移动中继传输方法，能够避免中继自干扰放大引入的震荡效应，通过对基站和用户发送功率进行联合优化，进一步提高能量利用效率。本项目的研究成果为动态网格多载波调制在高速移动环境下的应用提供理论依据。