干扰对齐在多跳无线自组织网络的应用研究

This project focuses on the application research of interference alignment (IA) in multi-hop wireless ad hoc networks (WANETs). First of all, regarding the fact that IA can only be applied into a group of neighboring links, we argue that an approach of hybrid interference management , i.e., parallel IA and interference avoidance, must be adopted for applying IA in multi-hop WANETs. Then we propose a link transmission model to characterize the suffered interference as well as the corresponding transmission performance for individual links under the framework of hybrid interference management. Based on the model, we model the relationship between networking performance including network capacity, parallel link scheduling capacity, and the link transmission strategy of individual links, into a centralized optimization problem, so as to quantify the potential benefit of IA upon networking performance and analyze the impact of network topology, antenna configuration upon such potentials. By utilizing the league game theory, we further model the interaction mechanism of individual links under the hybrid interference management framework, and study how to drive individual links update their transmission strategies towards optimized network performance. Based on the aforementioned theoretical analysis, we further research how to design IA-supported MAC protocols when taking the practical limits of IA application into account and how to design a new metric for topology control as well as the corresponding topology control algorithm favoring potentials of IA cooperation, so as to fully exploit the benefits of IA towards network performance optimization.

本课题对干扰对齐(IA)技术在多跳无线自组网的应用问题展开研究。首先，基于IA仅能应用于一组相邻链路的客观限制，指出将IA应用于多跳无线自组网必须遵循干扰对齐与干扰避免并行的混合式干扰管理策略，并提出一种融合IA的链路传输模型来刻画混合式干扰管理框架下各链路的实际所受干扰、及对应的传输性能。基于此模型，先应用最优化理论建模网络容量、并行调度性能等网络整体性能与各链路传输选择的关系，以量化IA对网络性能的潜在增益空间，并分析网络拓扑、天线配置等因素对增益空间的影响；然后再应用联盟博弈理论建模混合式干扰管理框架下各链路的协作机制，并探索如何驱使各链路朝优化网络整体性能的方向调整各自传输策略。在上述理论分析基础上，考虑IA在应用中的实际限制，进一步研究如何设计支持IA的MAC协议来最大程度变现潜在性能增益；并设计面向IA的拓扑控制决策依据及相应的拓扑控制算法，以构建适用于IA协作的网络拓扑。

无线网络一直被视为干扰受限网络。该网络下的媒体接入、路由算法、功率控制等问题一直沿用干扰避免策略，即相邻链路的传输必须在时域进行隔离。近年来提出的干扰对齐(IA)技术指出：相邻链路间可通过协作式信号处理实现干扰对齐，进而实现并行传输。在此背景下，围绕IA在多跳无线自组网的应用问题，课题组首先建立了一种融合IA的链路层传输模型，并基于该模型研究了IA对多跳无线自组织网络吞吐量增益及最短时隙数链路调度(MLSP)问题的影响。理论模型仿真结果表明：统一功率配置下，IA对多跳无线自组织网络的吞吐量无明显增益。其原因在于：IA协作仅适用于信道条件互知的相邻链路集，对非相邻链路间的干扰信号仍需要通过干扰避免的方式实现空域复用。而并行传输的协作链路集所产生的传输功率累加效应，将明显降低非相邻链路间的空域复用水平，进而部分甚至完全抵消相邻链路集IA协作所带来的吞吐量增益。因此，将IA应用于多跳无线自组织网络，还需结合功率控制来妥善处理干扰对齐与干扰避免两种策略的均衡。此外，理论模型仿真结果还表明：由于天生支持链路并行传输的特性，IA能有效降低MLSP问题的最短时隙数，即提升网络的并行调度性能。然而，当天线数量过多时，支持IA的最小链路集数目过大，导致节点密度难以满足IA协作条件。因此，将IA应用于MLSP问题还需妥善选择网络场景。除上述关键性理论成果外，课题组结合项目组成员的研究优势，将IA应用于路由构建、功率控制、物理层安全通信等领域，并取得了一些新方案或有价值的观察结论。