极端环境无线信道中可靠传输的理论基础研究

For wireless transmission under extreme environment like highly time-varying weak wireless links, the channels exhibit two basic characteristics: multiple time scales, and highly dynamic behavior. Channels follow distinct characteristics under different time scales, thus being difficult to describe using a single simple statistical model; channels change with time drastically over a wide dynamic range, thus rendering reliable transmission a difficult task. Such settings pose basic challenge for classical information theory: first, the multiple time scales are incompatible with the asymptotic analytical framework of classical information theory; second, the highly dynamic behavior is not amenable to the conventional approach of accumulating channel state information. The proposed research will establish information-theoretic analysis for multiple time-scale highly-dynamic time-varying channels. We will generalize fundamental concepts such as reliability and channel capacity, build correspondence between performance metrics and time scales, and thus enable more capable and comprehensive characterization of such channels. The goal of the proposed research includes establishing multiple time-scale channel coding theory, generalizing performance metrics under extreme environment, and hence in summary, obtaining theoretical framework for improving information transmission efficiency that approaches fundamental performance limits.

对于高度时变弱链路等极端信道环境下的无线信息传输，信道表现出多时间尺度和高度动态性的主要特征。信道在不同的时间尺度上呈现出不同的特性，难以使用简单的统计模型进行描述；信道的时变特征参数出现大动态范围的剧烈变化，对可靠的信息传输提出了重大挑战。多时间尺度高度动态特性下的信道传输问题与经典理论凸显出基本矛盾：第一，信道多时间尺度时变特性与经典信息论所依赖的渐近分析框架之间的矛盾；第二，信道高度动态特性与信道状态知识积累获取之间的矛盾。本项目研究多时间尺度高度动态时变信道的信息理论分析。对信息传输的可靠性和信道容量等基本定义进行拓展，建立性能指标与时间尺度的匹配关系，使信息论框架更为准确完整地对信道进行描述刻画。研究目标包括建立多时间尺度信道编码理论，从理论基础上拓展极端环境信道中信息传输的度量方法，提出提升信息传输能力、逼近性能理论极限的方案。

本项目关注高度动态信道的信息传输问题，从多个方面展开工作。主要研究内容覆盖如下四个方面：1、信道状态的在线序贯检测理论和方法；2、刻画收发信机非线性畸变对信道传输的影响；3、光强度信道传输容量性能分析；4、大规模无线网络接入系统的性能分析与优化。首先，为了理解由于信道统计特性的突变对信息推断所带来的挑战，从序贯统计决策理论出发，研究了单数据流和大规模多数据流的信号变点检测问题。同时，由于收发信机的非线性特性，对信道传输带来了严重困难，因此深入研究了其对信道容量的定量影响，并提出了如混杂模数转换等多种新传输技术，来有效解决大规模信道中信道动态状态知识获取的挑战。随后，针对无线可见光信道这一极易受到环境影响的高度动态信道，研究了在不同传输模型下的信道容量问题和网络通信问题。最后，研究了未来5G无线网络中的若干模型，关注其在高度动态干扰场景下的性能分析与优化。发表SCI论文17篇、国际会议论文17篇（其中特邀报告7次）。论文中有11篇发表在IEEE TIT/JSAC/JSTSP/TCOM/COMMAG等高水平期刊上。在实验室搭建了基于可见光通信的实验平台，演示了在信道发生遮蔽等突变时的可靠网络信息传输。于2016年组织了Workshop on Core and Frontier of Information Theory研讨会。