面向无线网状网的多天线协作通信理论与应用研究

Nowadays, in the transmission of wireless mesh networks including multiple relay nodes, especially in power sensitive relay based wireless sensor networks, LTE evolution networks and so on, wireless nodes need take full advantages of the network resources to implement low power consumption and efficient transmission. Also it has become the one of the key research hot-pots. However, in the multiple antennas cooperative communication systems with wireless mesh networks, the cooperative signal processing by multiple antennas and parallel multiple relays of mesh network, can help solving such key research problems with rather low complexity. In aspect of theories, it will research the algorithms of space alternating generalized expectation maximization, joint iterative detection for transmission in parallel multiple relays and so on, to solve single/multiple objectives optimization of multiple antenna synchronization, channel estimation, maximization of transmission and so on, distributed in multi-relay nodes. Besides, it also will investigate the moderate or short length cubic sparse graph based low-density parity-check (LDPC) codes with accumulate-repeat-accumulate structure of high performance which helps realizing the above joint detection algorithms with rather low complexity. In aspect of applications, it will build the hardware simulation platforms for above theoretical researches to help engineering application. Therefore, by the deep research of this project, it will greatly promote the development of both theories and applications of modern wireless communications in our country.

目前，在含多中继节点的无线网状(Mesh)网传输中，特别是在支持中继的功耗敏感无线传感器网络、LTE演进网等场合，无线节点如何充分利用网络资源来实现低功耗、高性能的传输已成为制约无线通信发展的研究难点。而面向无线Mesh网的多天线协作通信系统，采用多天线及Mesh网多中继并发传输协作信号处理，能以较小算法复杂度有效地解决该困难。在理论上，研究基于空间置换广义期望最大化理论的多中继并发传输的联合迭代检测等算法，解决多中继分布式多天线同步、信道估计、传输率最大化等单/多目标信宿优化问题；同时进一步研究高性能、中短码长、立体稀疏图累积重复累积结构的低密度奇偶校验(LDPC)码，以其低复杂度的编译码算法及高编码增益，有效辅助上述联合检测算法的实现。在应用上，在上述理论研究的基础上搭建多天线协作传输的硬件平台，将算法付诸实践。通过该课题的研究，将有效地推动我国现代无线通信理论与应用的发展。

本课题面向无线Mesh网的分布式多天线协作通信系统，面向理论算法创新和低复杂度的系统实现，研究了协作中继的并发同步与信道估计算法,协作中继的多天线联合译码迭代检测算法,高性能中短码长信道编码及低复杂编译码算法及其实践方法，详述如下：..协作中继的并发同步与信道估计算法方面，我们针对无线Mesh网的系统架构，抽象出了便于数值分析的矩阵形式的多中继分布式多天线传输模型，提出了分布式中继的联合频偏和信道估计的ML算法及其CRLB限，为后续研究提供性能界限，为了使实验系统搭建成为可能，我们提出了基于期望最大化以及低复杂度的基于空间交替广义期望最大化的联合频偏和信道估计算法。..协作中继的多天线联合译码迭代检测算法方面，我们首先以分布式MIMO与LDPC码级联的支持软信息迭代的检测系统为研究对象，仿真了复杂度最高且性能最优的MAP算法，分析可优化空间；再此基础上，提出了基于分布式多天线检测时，将非检测天线信号建模为高斯近似的低复杂度的MMSE检测算法，并基于将接收信号的条件概率密度通过联合高斯分布近似的JGA检测算法提升检测性能，然后融合判决反馈干扰消除获得适应实践实现的联合译码迭代的检测算法。在仿真中使用并行计算卡K20，开展了并行算法仿真的尝试。..高性能中短码长信道编码及低复杂编译码算法方面，工作聚焦到接近香农限的的EIRA编码的研究上，提出了通过扩大EIRA编码校验矩阵右侧固定结构中的对角线间隔，降低小环出现概率从而提升码性能的构造方法，提出了适应低功率小型Mesh网络终端的高功率效率MSK调制系统的eIRA编码，深度结合MSK差分编码结构，降低复杂度同时显著提升译码性能。..实验平台方面，由于理论算法分析和仿真验证工作量巨大，完成了基带调制解调处理板的设计和制作，并进行了多天线载波和信道估计的算法设计和初步调试，设计和定制了多天线中继信道及功放模块，支持后续的同步钟源和异步钟源的实现系统验证。..本项目的研究按照计划书展开，各项研究内容进展比较顺利。本项目属于基础研究，成果形式主要是论文发表和样机实验，我们的主要工作在IEEE Communication Letter，WCSP，PIMRC，WCNC等发表，共发表论文9篇，EI收录7篇,SCI收录2篇。在该项目执行期间，参加国际学术会议5次，指导硕博士研究生11人。