基于中国剩余定理的物联网差异性节点协同通信方法研究

The Internet of things (IoT) is regarded as a great reform in the field of computer information, which has great scientific significance and application value. However, most of nodes in the IoT are sensors, radio frequency identification (RFID) and other low power consumption nodes with limited processing and small storage capacities, which makes them difficultly assist the communication between large date demand nodes. In addition, the lack of spectrum resources pose challenges to the large-scale of the equipment interconnection in IoTs. To solve the issues discussed above, this project aims to split the long packet information by using the Chinese remainder theorem (CRT), with the non-orthogonal multiple access (NOMA) technology which has the excellent spectral efficiency, combine the multiple short packets by using the superposition code, and then forward it. Specifically, the receiving node will reconstruct the original information transmitted from the source node to realize the cooperative communications between heterogeneous nodes. This project aims to in-depth study the IoT system based on the CRT, make clear the mechanism of the splitting and reconstruction using CRT in the NOMA IoT system, establish an effective mathematical model, design the transmission protocol and receiver to maximize the system capacity based on the user fairness, analyze the relations between the achievable rate of the each user and the moduli, establish a lower complexity and efficient two-stage power allocation scheme based on the quality of service (QoS) and the power constraint of the cooperative nodes. The research outputs of this project are hopeful to provide a theoretical basis for the evolution of the cooperative communications for IoT systems with heterogeneous nodes based on the CRT.

物联网被视为计算机信息领域中一次重大变革，有着重大的科学意义和应用价值。然而，物联网中大部分为传感器、射频识别等处理能力有限、存储容量小的低功耗节点，使其难以协助大数据需求节点之间的通信。除此以外，频谱资源的匮乏对物联网中大规模的设备互联提出了挑战。针对以上问题，本项目拟引入中国剩余定理将长包信息分解，结合频谱效率优异的NOMA技术，将分解所得多个短包信息叠加编码、传输并在接收端重构，以实现物联网中差异性节点协同通信的问题。本项目拟对基于中国剩余定理的物联网系统进行深入研究，明确中国剩余定理在NOMA物联网系统中的分解、重构机理；建立有效数学模型，设计基于用户公平性的系统容量最大化传输协议及接收机；分析各用户可达速率与模的关系；基于各用户QoS及协作节点功率约束，建立低复杂度、高效的两阶段功率分配方案。本课题的研究成果有望为基于中国剩余定理的物联网差异性节点协同通信系统演进提供理论基础。

随着科学技术的逐步发展以及计算机设备的不断升级与开发，物联网技术的发展被视为当前信息技术的一大研究热点，有望彻底改变与提升人们的生产与生活方式。本项目以高可靠性、低复杂性以及高速信息传输的无线通信为目标，以物联网通信系统为背景，从协同无线通信系统出发，在无线通信系统模型、资源分配以及方案设计等多个角度展开了系列研究。首先，在系统模型上，基于无线通信的系统模型，针对视距传输与非视距传输场景，设计新型的协作中继节点以实现高效协同通信。在资源分配方案设计中，引入中国剩余定理，将信道、频谱以及功耗等资源通过数学算法进行合理分配，将传输过程中的长包信息分解为短包信息，此外，引入NOMA技术在各节点将短包信息进行叠加编码，以实现信道容量以及用户的可达速率显著提升。在传输方案设计方面，深入挖掘NOMA技术带来的高效频谱资源利用率特性，并引入最新的RIS、UAV技术，针对于不同的信道质量及用户服务质量等目标，提出新型的NOMA解码策略以及转发方案，以实现全局系统容量的显著增强。此外，在系统性能开发与研究过程中，进一步考虑了物理层安全问题，通过设计合理的协作节点以及解码转发策略，在系统安全速率的研究上也取得一定的成果。在研究中，项目小组成员均积极参与项目的研究、讨论与设计，项目的显著成果证明了提出方案的准确性与有效性。上述研究成果也可为实际无线通信协同通信系统的建设提供一定的理论参考。