无线中继通信系统中编码协作与资源优化研究

本课题研究定位于深入分析无线移动网络中采用中继模式对网络系统容量的影响以及逼近网络容量的策略，探索高效网络拓扑的构建，包括中继位置的选择，中继节点数目的确定等。在此基础上分析，分析网络空间资源，功率资源，频谱资源的有效配置方案以及多种模式业务在网络中的调度方案，同时在适当的场景中结合网络编码技术，将网络编码技术与多用户协作技术相结合，从而探索提升网络传输效率的有效途径。具体研究内容包括：研究基于多用户协作的网络性能度量方法以及容量上限，分析拓扑控制和网络编码可行的组合模式及无线分布系统中的资源优化问题；分析基于中继网络编码的面向组播业务模式的网络性能；探讨基于中继网络编码的面向多单播流业务（多用户对）的节点协作模式与用户公平性处理策略。这些研究内容有助于深化我们对无线移动网络资源的理解，为下一代移动通信系统设计提供理论指导。它属于信息领域的前沿热点，在理论和工程上均有重要的意义

本项目主要讨论中继系统的性能优化问题，首先讨论了Shannon奖（1985）获得者美国麻省理工大学Robert Gallager教授提出了两个基本问题：（1）如果物理信道是衰落信道，那么网络的分层设计协议模式是否仍合理? (2) 如何逼近衰落信道的遍历容量？我们的创新性结果如下：（1）.如果衰落信道是独立同分布的（快衰落），那么在一段时间内信道可支持的最大服务量是时间的确定性线性函数，其线性系数等于遍历容量值。 该结论部分回答了Gallager教授提出的衰落信道上信息传输问题: 网络层设计可以和物理层设计分开进行独立设计。 同时解释了实际工程中引入的交织器，其作用就等同于使信道趋向独立同分布的状况。（2）.通过在发送端引入有限存储器的模式，讨论存储器长度与系统溢出概率之间的关系，提出了一种新的容量概念，epslon-溢出容量，该理论是传统的中断容量的推广。当系统采用恒定数据率输入信道时， 如果系统中存储器长度为0，则溢出容量等同于中断容量；当系统中存储器长度无限长，则溢出容量就等于遍历容量。之后，利用排队论和信息论组合理论，讨论了低信噪比Rayleigh衰落信道的容量逼近问题，在国际上首次给出严格的队列分布的显示表达式。这一研究成果，回答了Robert Gallager教授2002年提出的衰落信道下恒定数据输入速率的排队问题。（3）讨论了时空网络编码、计算转发中继等具体中继系统的性能和资源优化问题。并将有关中继的问题研究推广到高速铁路宽带通信系统的研究上。针对两跳的传输模式：地面基站到列车接入点AP和AP到车载用户，我们提出了移动服务量，服务效率等新概念，给出了地面基站的站距选取策略。.（4） 从网络信息论的角度针对三节点三角性拓扑模式的中继网络，提出了一种中继节点的平均信噪比分解方法，将中继节点的传输带宽分解为两部分，一部分采用压缩转发方法,另一部分采用解码转发, 利用功率调节，保证其平均信噪比不变。理论证明该方式可以很好的逼近Kabayashi界，是目前国际上最好的逼近实现。.在无线通信领域IEEE杂志和欧洲Wiley期刊以及IEEE主办的著名国际会议IEEE Globecom, ICC, WCNC, ISIT, IWCMC等共发表学术论文58篇，其中国际杂志25篇（SCI 24篇）， 国际会议33篇（EI检索）， 获得3篇IEEE国际会议最佳论文。