高谱效全/半双工混合通信网络连续中继协议设计与性能分析

Both the forthcoming deployment of the in-band full-duplex communication technology aided 5G wireless system and the simultaneous existence of tremendous half-duplex communication equipments determine that we have to incur the special full-duplex and half-duplex hybrid communications networks for a long time in the future. As a result, efficiently adapting the existed relaying techniques to this new communication scenario becomes a critical and urgent problem. For the sake of overcoming this challenge, our project aims at: 1) according to the special characteristic of the two-path successive relaying technique that it is capable of mimicking a virtual full-duplex relays relying on the collaboration between a pair of half-duplex relays, devising an novel spectral-efficient successive relaying based cooperative protocol for adapting to the full-duplex and half-duplex hybrid communications networks. As a result, the attempt of efficiently adapting the successive relaying technique to the full-duplex communication scenario will be achieved for the first time; 2) proving the advance of the proposed system and hence convincing the meaning of this research by theoretically analyzing both the capacity and error probability of the proposed scheme. Meanwhile, the potential achievements and new discoveries obtained along with the research process will be exploited to further update and improve our initial prototype; 3) realizing an optimal rate allocation scheme in the proposed system, which will be capable of automatically adjusting the transmit rate of the source nodes according to different physical communication conditions, and hence always maximizing the practical error-free transmit rate of the entire system; 4) finding a range of important thresholds through the theoretical analysis and simulation process, which may become the critical references for realizing adaptive selection among different relaying schemes.

以同时同频全双工通信为关键采纳技术之一的5G网络即将来临，而现有的大量半双工无线通信设备也不会立即消失，我们必将长期面临全/半双工混合网络这一特殊通信场景。因此传统协作通信技术如何有效适用于此种新的应用场景就成为了一个亟需解决的问题。针对这一难题，本项目旨在：1）依据连续中继技术可依靠一对普通半双工中继节点互相合作共同模拟一个虚拟全双工中继节点的特点，设计一种能适用于全/半双工混合网络的全新连续中继协议，从而完成连续中继技术在全双工网络环境下的首次成功应用；2）通过分析所提系统的理论系统容量，误码率等关键性能指标，来验证和揭示所提系统的先进性和研究价值。同时也利用理论分析中取得的阶段性成果和新发现进一步调整优化所提中继传输方案；3）在所研系统中实现可根据实时的通信信道质量，对信源节点发射速率进行自适应调整的最佳速率调度机制；4）通过理论分析给出各种典型阀值，为实现多种中继系统间自适应切换，

同时同频全双工技术已经成为移动通信新一代5G网络中的标志性技术。同时现有大量半双工无线通信设备也不会立即消失，我们必将长期面临全/半双工混合网络这一特别通信场景。因此传统中继技术如何有效适用于此种新通信场景成为一个亟需解决的问题。与此同时，极化码已经确定为新一代5G标准中的控制信道编码方案；非正交多址技术作为新一代5G网络中的空口核心技术正在标准化的关键阶段。 在上述背景下，本项目主要完成了以下研究内容：1）设计了一种基于全双工器件的新型中继网络；2）分析了所提中继网络在最佳传输速率分配下的最大理论容量；3）研究了基于极化码的编码调制联合设计，探讨了其在所提中继网络中的应用；4）研究并分析了稀疏码多址接入技术的下行截止速率，探讨了其在中继网络中的应用。其中，第1点研究内容所设计的中继网络全面优于传统架构，所提出的全双工中继节点两侧最佳传输速度分配思想起到了重要作用。第2点研究内容中的容量分析具有普适性，并且能反应中继位置、传输速率分配、干扰强度、路径损耗强度等多种物理参数的影响，对于工程应用具有良好指导意义。第3点研究内容将极化码应用于非相干检测，属于首创，而且所设计的接收机已经接近相干类接收机的译码能力。该设计也有助于实际实现第2点研究内容分析所得的系统理论容量。第4点研究内容属于首次对稀疏码多址系统的下行截止速率进行分析。该点研究为下一步研究稀疏码多址与中继网络的结合打下了基础。应该说上述本项目取得的研究成果即具有较高的原创性、前沿性，又有相当的工程指导意义。