未来超高速毫米波网络下的高效传输机制研究

The millimeter wave system not only releases the severe shortage of low frequency band resource, but also satisfies the growing market demand in wireless transmission rate. It will become the best ultra-high speed access method for different kinds of terminals because of its access rate over tens of Gbps. In order to improve frequency band efficiency, massive antenna array will be utilized by both transmitter and receiver in millimeter wave system, leading to higher complexity of signal processing algorithm. Besides, the extreme diversification of different terminals either in the need for data rate or resolution of the same data is unparalleled compared to those in other networks. Thus the project will research deeply on these issues：1)Taking the advantages of both analog beamforming and MIMO digital signal processing, design a hybrid analog-digital antenna array to reduce the complexity of signal processing algorithm in massive antenna array. Study on the fast training method of analog beamforming weighted value and graded codebook used in coherent subarray of massive array; 2)Study on MIMO digital signal processing algorithm with low complexity to cope with the transmission of multiple dataflow with extreme diversification in future ultra-high speed millimeter wave system; 3)To satisfy the individualized demand of terminals with different processing capability in hundreds Gbps rate network, study on the mutirate layerd network coding scheme based on flow balancing. To solve the above problems is of great significance in high efficiency transmission of future millimeter wave communication.

毫米波系统既缓解了低频资源的紧缺局面，又满足了市场对无线传输速率要求越来越高的需求，其将以超过几十Gbps的接入速率成为各种终端超高速的最佳接入方式。为提高频谱利用率，毫米波系统将在收发双方均使用大规模天线，导致信号处理算法复杂度较高。而且不同终端速率需求的极端多样性及对同一数据的分辨率差异性也远非其他网络可以比拟，本课题将深入研究这些问题：1）综合模拟波束成形与MIMO数字信号处理两种技术优势，设计数模混合天线阵列，以降低大规模天线的信号处理算法复杂度。针对相关子阵列研究大规模阵列的模拟波束赋形权值的快速训练方法及合适的分级波束码本；2）研究低复杂度MIMO数字信号处理方案，应对未来超高速毫米波系统中的极端差异化多数据流传输；3）为满足百吉速率网络中具有不同处理能力终端的个性化需求，研究基于流量均衡的分层多速率网络编码方案。以上问题的解决对未来毫米波通信的高效传输具有重要意义。

为满足未来市场对超高传输速率需求，毫米波通信技术成为最具希望的无线通信技术。本课题除了针对申请书中的三个研究内容，即数模混合结构的预编码算法、差异化数据流传输及网络编码技术展开研究之外，还针对任意形状码本设计、波束搜索及追踪、信道估计与毫米波中的频域干扰对齐理论等方面展开深入研究，并取得了重要成果：.（1）在单用户场景中，提出了基于主矢量逼近算法的模拟预编码算法，以及多种基于启发式的混合预编码算法。针对多用户场景，设计了基于两阶段迭代的混合预编码算法，并提出了基于区域用户密度的自适应调度方案。.（2）针对信道质量差异化的无线广播网络，提出了一种基于最大传输概率队列的数据包选择算法；针对终端处理能力的差异性，提出了基于分层扩张思想的最大概率传输方案。并结合无线链路质量的差异性，设计了基于扩展窗口的单数据源实时视频流无线广播方案；针对多数据源下的差异化无线广播网络，设计了一种基于编码包的最大邻接度概率团改进算法。.（3）在动态机会D2D网络中，为了提高不同终端的QoE体验，提出了基于异构终端的降低重传时延的方案；针对非对称双向中继网络中高阶异构调制，提出了降噪物理层网络编码算法。.（4）为了提升波束切换阵列天线系统的灵活性，提出了一种高效的2D任意形状波束赋形码本设计方案，然后将该思路扩展至3D场景，提出了相应的码本设计方案。.（5）为了解决多径条件下波束搜索成功率低的问题，本课题设计出一种新的波束搜索方案，该方案能更准确获得全局最优通信波束对。然后，本课题在LoS环境下，提出一种可以解决移动范围受限问题的快速波束跟踪方案。最后，本课题引入判断机制，提出自适应信道估计算法。.（6）本课题针对毫米波系统带宽超宽的特点，独创地利用非相关的频域多信道系统建立信号空间，并以此证明了频域干扰对齐技术的可行性，证明了单数据流频域多信道干扰对齐系统的自由度以及用户容量，并提出了干扰对齐复用技术原理。