《分布式移动通信系统信息容量与效能优化》

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分布式移动通信是由中国学者提出并率先付诸于工程技术实践,之后逐步得到国际广泛认可的新兴移动通信组网架构,已成为4G向5G演进的核心技术。该构架改变了已沿用40余年的蜂窝组网方式,通过引入大量密集布设且相互协作的分布式节点,可有效解决新一代移动通信所面临的在较高频段上大容量密集覆盖问题,也对移动通信系统信息理论发展提出了全新的基础性挑战。

分布式移动通信无线组网的先期研究可追朔至2004年前后启动、并由该项研究主要完成者所牵头的国家自然科学基金重大项目和国家863计划重大项目,其最初的目标是在3.5GHz以上的较高频段上,探索移动通信大容量密集覆盖的基本方法与可行途径。经10余年研究,已逐步形成了较为完备的系统构架(如Cooperative DAS、Distributed MIMO等)与基础理论体系,涉及系统容量成因及与传统蜂窝系统的本质性区别、小区边缘效应度量及理论计算、信息容量模型与数学解析、频谱效率闭式求解与效能优化等。作为上述基础理论研究的代表性成果,该项研究的主要科学发现和科学价值体现在以下方面:

系统信息容量成因:首次得到了分布式移动通信系统信息容量的闭合解,依此对其信息容量的成因进行解析,揭示出该组网方式具有更高的空间自由度,信息容量随着网络密集度提高而增大。这与传统密集蜂窝小区的信息容量受限于小区间的干扰形成了鲜明对比,从而为无线网络的密集化奠定了理论基础。

小区边缘效应理论:针对严重影响用户体验的小区边界效应,首次提出其性能度量和中断信息容量分析方法,并推导出近似闭式解,发现分布式无线网络的小区边界性能大大优于传统蜂窝构架,从理论上证实了业界最初的猜想与预期:分布式无线网络可较好地解决小区边缘效应,改善用户服务一致性。

频谱效率优化理论:针对分布式网络中移动用户常位于基站天线的视距范围内、信道呈现莱斯衰落特性的特点,首次发现了适用于莱斯信道的非中心复Wishart矩阵行列式统计解析方法,导出信息容量、分集度、阵列增益及中断概率的闭合解,为莱斯信道的容量解析与频谱效率优化提供了完备的理论依据。

能量效率优化理论:为解决分布式无线网络中如何有效分配各无线节点的发射功率且保证用户QoS和服务公平性这一基础性难题,发现可将复杂的多目标优化转化为单目标加权优化问题,导出了分布式节点的功率分配最优解,可兼顾移动用户频谱效率和服务质量,并使分布式无线网络能量效率最大化。

该项研究的8篇代表论文SCI他引次数405次,其中获两院院士和IEEE Fellow引用与正面评价130余次;获学术界有重要影响的IEEE通信学会莱斯奖和陈嘉庚科学奖,应邀在国际上最有影响的学术会议IEEE ICC和IEEE Globecom做大会特邀报告;团队获国家自然科学基金创新群体,期间两位完成人获国家杰出青年基金资助,两人入选IEEE Fellow;相关成果被推广至多家重点企业,技术成效与经济效益显著,获2014年度江苏省科学技术奖一等奖。

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