在未来的无线通信系统中,由于频谱资源有限和用户数量的不断增加,干扰将成为制约无线网络性能的重要因素。因此,干扰管理是下一代无线通信系统研究的关键问题之一。干扰管理的传统方法是让每个用户独占一部分无线资源进行通信从而避免干扰,在众多的干扰管理技术中,干扰对齐(Interference Alignment,IA)技术因其高效的干扰管理效果引起了广泛的关注。通过对发送端信号预编码以及接收端信号干扰抑制,干扰对齐技术使得接收端干扰信号重叠,从而压缩干扰信号所占的自由度,并且将接收端的干扰信号与有用信号分离,使接收端较易得到有用信号。在K对用户的发送接收系统中,基于干扰处理的传统方法每个用户可获得1/K的自由度,但通过干扰对齐,每个用户获得的自由度可达1/2。干扰对齐技术由于其良好的性能,在双向中继信道、蜂窝网络、异构蜂窝网络、认知网络、LTE-A系统、D2D系统以及水下网络等系统中均得到了广泛研究。在实际应用中,由于中继技术为无线通信提供了一种低功耗、可靠的高速数据传输方式,有效的扩展了无线通信网络的覆盖区域,且双向中继比传统的单向中继提供了更高的频谱效率,因此将干扰对齐和双向中继有效地结合起来,以获得更高的自由度和传输速率,已经成为近些年的研究热点。目前双向中继信道中干扰对齐算法的研究已经取得了一定进展,但成果尚有局限性,主要问题总结如下:(1)在双向中继信道中实现干扰对齐算法,大都采用放大转发的中继策略,该策略在转发有用信号的同时也转发了噪声信号,因此造成接收端用户可达速率较低。(2)在双向中继信道中采用干扰对齐方法时,一般都是基于某个性能参数最优化建立优化模型并通过求解预编码矩阵和干扰抑制矩阵实现干扰对齐,但其优化问题大都为非凸问题,仅在极少情况下可求出最优预编码和最优干扰抑制矩阵。(3)在采用干扰对齐的双向中继信道中,用户和中继节点属于多天线系统,由于广播信道系数矩阵受天线数量影响,其特征值分布复杂且不易表达,因此一般较难得出系统可达速率等性能参数的表达式。(4)干扰对齐技术可在双向中继信道中较好地处理干扰,提高网络性能,但同时也增加了发送端和接收端的能量消耗,且目前针对于节能方面的研究较少。结合以上几个问题,根据双向中继信道的特征,本课题从中继转发策略、秩约束秩最小化数学模型、大系统分析方法和无线信息能量同传等几方面开展双向中继信道中干扰对齐算法的研究,从而为未来移动通信系统提升系统容量提供了理论和技术支撑。本论文主要工作和创新成果如下:第一,双向中继信道中基于计算转发的干扰对齐算法研究。目前提出的双向中继信道中的干扰对齐算法,大多数都采用了放大转发的中继策略,该中继策略在转发有用信号的同时也转发了接入阶段产生的噪声。而嵌套格码基础上计算转发的中继策略是根据信道系数译码出有用信号后转发,因此移除了噪声。本文将计算转发的中继策略分别应用于双向单中继信道和双向多中继信道,实现了相应的干扰对齐算法,显著提高了通信系统的总速率。第二,双向中继信道中基于秩约束秩最小化的干扰对齐算法研究。基于秩约束秩最小化数学模型的干扰对齐算法,是在干扰信号占用子空间最小化,目标信号可用子空间最大化的条件下建立优化问题求解,实现简单,系统性能优越。本文在秩约束秩最小化数学模型的基础上,根据双向中继信道中目标信号和干扰信号矩阵的特征,分别提出性能优越的左加权核范数最小化算法和选择耦合加权核范数最小化算法,实现干扰对齐。第三,异构双向中继蜂窝网络采用干扰对齐的大系统分析研究。由于广播信道受到发送和接收端用户天线数量的影响,信道系数矩阵的特征值分布复杂且无法表达,因此一般情况下,通信系统的可达速率较难求得。本文通过基于随机矩阵理论的大系统分析方法,分别在数据流等功率分配和最优功率分配的两个条件下,推导得出双向中继信道采用干扰对齐时用户平均可达速率。同时,本文还拓展研究异构双向中继蜂窝网络采用干扰对齐算法的大系统分析,通过秩约束秩最小化的数学模型实现干扰对齐,提高异构蜂窝网络中用户的可达速率,并通过大系统分析推导出异构蜂窝网络中宏用户和微用户的平均可达速率。第四,基于能量收集的双向中继信道中干扰对齐算法研究。在基于无线信息能量的系统中,通过能量收集技术从接收端用户的目标信号或者干扰信号中收集能源给通信网络供电,这为无线供电受限的装备提供了极大的便利。本文在双向中继信道中,通过无线信息能量同传技术设计预编码矩阵和干扰抑制矩阵实现干扰对齐,分别提出了基于最小化发送功率的干扰对齐算法、基于最大化可收集能量的干扰对齐算法和基于最大化信干噪比的干扰对齐算法。