高频段通信阵列传输与广域覆盖理论方法

Future wireless network aims to support massive smart terminals, various wireless services, and wideband data communications with high mobility. Meanwhile, there exists little additional spectrum resource available for the future wireless network as well as physical limits in terms of both cost and system size. Thus, it is a potential research direction to investigate the distributed ultra-dense heterogeneous cooperative wireless network by exploiting the high-frequency spectrum and high-dimensional spatial resources. The present researches on the theory of broadband mobile coverage in high-frequency band are, however, still in its infancy, which currently face many fundamental theoretical and technical challenges. This project focuses on the theory and methodology of multi-antenna transmission and cooperative network coverage in high-frequency band under resource limitations in various aspects. In particular, the research points include theoretical capacity analysis of degree of freedom degraded and sparse multi-antenna channels in high-frequency band, performance analysis and transmission design for massive multiple-input multiple-output communications under hardware resource constraints, low-latency and high reliability association strategy in high-frequency band cooperative networks, and improved reliability and robustness communication in high-frequency band networks. Outcomes of the research project are able to provide theoretical and engineering support and meet diverse requirements in future wireless communication networks including the wireless Internet and smart Internet of Things.

新一代无线通信网络一方面需要服务海量智能化终端、提供多样的无线数据业务、支持高移动性宽带数据通信；另一方面其发展又面临着新增无线频谱资源匮乏、系统规模和成本受限等物理限制。针对此现状，深度挖掘高频段频谱和高维度空间资源并构建新型密集分布的异构协作无线网络成为极具潜力的研究方向。当前针对高频段宽带移动覆盖理论的研究还处于起步阶段，面临着诸多基础理论难题和应用技术挑战。本项目拟研究多域资源受限下广域高频段移动通信覆盖的阵列传输与协作组网的理论方法，具体包括研究高频段稀疏信道特征下自由度退化多天线矩阵信道的理论信道容量，建立高频电路器件资源受限的大规模阵列通信的性能分析方法与传输优化设计，探索改善高频段覆盖网络中通信链路可靠性和鲁棒性的方法，形成高频段协作组网覆盖下低时延、高可靠的移动终端接入策略。研究成果将为满足包括移动互联网和智慧物联网等在内的下一代通信网络新业务需求提供理论和技术支撑。

本自然科学基金项目主要围绕高频段通信阵列传输与广域覆盖的理论与方法开展研究。课题从5G及其演进网络所面临的频谱资源紧缺、数据业务类型丰富、分层异构网络共存、终端移动性要求高、高传输速率和低通信时延等挑战出发，根据项目申请书中拟定的内容分别针对高频段阵列通信系统中的基础通信理论、传输技术设计优化、网络广覆盖实现技术和硬件演示平台四大内容进行了研究，取得了预期的成果。具体而言，课题首先针对混合有限精度ADC架构下可重构智能反射面（RIS）辅助的MIMO通信系统，提出了一种高性能的信道估计方案，推导出均方误差意义上最优估计器的闭式解，能有效抑制有限精度ADC的非线性量化噪声的影响。其次，针对大规模MIMO-OFDM系统，以最大化加权频谱效率为设计目标，提出了一种交替最大化迭代算法框架, 并在框架下设计了两种性能相似的混合预编码方案。此外，针对毫米波异构网络，研究了超密集异构网络的用户接入问题，使用机器学习的思想解决异构网络中的用户接入问题，提出了一种高鲁棒性的基于交叉熵的用户接入算法，能以较低的复杂度实现与传统凸优化算法相当的性能，而且收敛速度很快。接着，研究了多用户移动边缘计算网络中的卸载资源分配问题，提出了一种基于深度学习的智能分支定界法来有效地解决该优化问题，且计算性能接近最优解。最后，针对RIS反射传输信号的无线通信系统，研究了系统的硬件模块架构设计与实现；考虑基于RIS的室内场景，上下行链路通信方式分别采用了全向天线和RIS反射传输，研究了包括了对FPGA、硬件外设和RIS电磁表面的性能和使用，在基带和射频段研究了软件无线电通信原型系统平台。相关成果发表高水平学术论文数十篇，提交国内专利申请十项，获得多项国内及国际专利授权。项目开展过程中，培养硕士、博士研究生共7名，其中已毕业3名博士和4名硕士。研究成果为满足包括移动互联网和智慧物联网等在内的下一代通信网络新业务需求提供理论和技术支撑。