协作通信混叠时变信道估计与时频同步研究

Cooperative communication has become an active research in the field of wireless communication. Current transmission and optimization protocol for multi-relay cooperative communication is based on the assumption that the source node, the relay nodes and the destination node are perfectly synchronized and the channel state information is perfectly known. It is essential to acquire the channel information under practical scenarios where the transmission nodes are mobile and there exists possible timing- and frequency offset between each node pair. Our research focus on cascaded channel estimation and synchronization for multi-node relay cooperative systems over mobile environment. Specifically, our work will include the following parts: Firstly, the cascaded time-variant channel can be modeled by specific complex unviersal basis, which is also modeledd by autoregressive (AR) model, aiming at reducing the unknown coefficients. Secondly, we perform channel estimation and time-frequency-synchronization for mobile cooperative communication systems by using both time-division multiplexed training and superimposed training. Last but not least, with respect to the proposed estimator, we jointly optimize the time division multiplexed and superimposed training sequence with regard to specific objective functions. Our work will provide thoretical and technical basis for the resource allocation and optimization of multi-relay cooperative standards over mobile environment.

协作通信模式是当前无线通信领域的研究热点。现有中继协作的无线传输模式及相应的优化传输方案大多依赖于通信节点间同步且无线信道状态信息已确知的理想假设。因此，准确获取通信节点处于移动状态的实际复杂通信环境下的信道状态信息具有重要的理论意义及实际工程价值。本课题针对协作通信系统通信节点处于移动状态下的混叠时变信道估计及时频同步检测展开研究，拟采用改进的基扩展模型对多中继混叠时变信道建模，以减小模型建模误差及待估计参数；利用自回归模型针对信道模型基系数建模，使信道模型兼备外推修正能力；拟采用时分复用导频与时域隐含导频序列联合进行的鲁棒信道估计及时频同步检测，在尽可能减少传输效率的前提下提升估计性能与检测精度；将选取合理的目标函数联合优化时分导频与隐含导频序列，采用矩阵不等式及优化理论求解。课题理论与实验研究结果将为移动环境下的中继通信资源分配及优化提供部分理论依据和技术基础。

课题研究以无线通信领域研究热点——MIMO协作通信为背景，重点针对MIMO协助通信系统传输物理层关键技术开展研究。具体研究内容、重要结论及成果总结为以下4个方面：.1. 开展大规模MIMO通信系统上行链路环境高传输效率的信道估计研究：提出基于时间叠加导频序列的设计方案，解决了因时延限制出现的导频污染，在此基础上，探讨了基于叠加导频用于大规模MIMO无线能量及信息同传环境下的信道估计。.重要结果：理论分析上述设计系统可达信道容量，对基于叠加导频传输系统具有理论指导意义。相应成果发表于IEEE TVT、IEEE ACCESS等；此外，所提叠加导频方案经光纤通信实验平台验证，成果发表于Optics Express；上述研究成果SCI他因16次，google citation 54次。.2. 开展D2D中继通信环境下正交/非正交多载波系统时变信道建模、均衡及数据检测研究：提出了一种分段线性拟合时变多径信道的建模方案，将传统一个符号块周期内信道均衡转化为多个符号子块的均衡及比值合并问题；此外，提出了非正交传输系统的低复杂度Viterbi数据检测方案。.重要结果：所提均衡及数据检测复杂度与符号载波数呈线性关系，低于传统均衡及数据检测方案。相应成果发表于IET Com.及PIMRC等，并通过光通信实验平台验证，成果发表于Optics Express等国际期刊；上述成果google citation共10次。.3. 开展复杂传输环境下MIMO协作通信系统导频优化设计研究：提出基于时域叠加导频策略，分析存在载波干扰、导频污染、时频异步环境下的导频设计方案，在数据与导频功率比、导频长度及相位等实现优化；此外，提出了时分与叠加导频的混合设计策略。.重要结果：通过实验仿真，验证了所提设计方案优于传统方案，提升了非理想传输环境下的系统容量。相应成果发表于IEEE TVT、IEEE ACCESS，部分成果已投稿IEEE TVT等；.4. 基于非完整信道知识条件下中继系统优化策略研究：提出了一种适用于分布式中继MAC方案，不仅可以帮助源节点选择最好的通路，且帮助所有中继节点最大化自身收益，从而提升整体系统性能。相应成果发表于IEEE TVT等重要期刊。.本课题的研究及实验结果将为无线MIMO中继协作通信物理层及MAC层关键技术提供部分理论依据与技术基础。