无线多跳网络中基于MIMO和干扰调准的空间重用问题研究

无线多跳网络近些年得到了迅猛发展，也遇到了很多理论和技术难题，其中最主要的基础问题之一是如何提供更高的网络容量以增强业务保障能力。本项目从基本理论和实现方法两个角度，研究基于MIMO和干扰调准技术的空间重用机制如何在不增加频带和天线总发射功率的前提下大幅提高无线多跳网络的容量。首先从数据干扰模型入手研究基于流控的MIMO空间重用机制在无线多跳网络中产生大量频域空洞的根本原因，给出新干扰模型下无线多跳网络的理论容量上界和下界，探索如何从链路调度层面使无线多跳网络的实际可达容量更逼近其理论容量；研究基于干扰调准技术的空间重用机制在单天线多跳网络和MIMO多跳网络中的工作机理，提出能最大程度发挥干扰调准效应的信道访问协议和其它上层协议，进而大幅提升多跳网络的理论容量和实际可达容量；探索应用层关键要素对本课题相关研究结果的影响机制和应对方法，例如网络流量、网络拓扑、天线数目、干扰半径、多径路由等。

无线多跳网络近些年得到了迅猛发展，也遇到了很多理论和技术难题，其中最主要的基础问题之一是如何提供更高的网络容量以增强业务保障能力。本项目研究了基于MIM的空间重用机制如何在不增加频带和天线总发射功率的前提下大幅提高无线多跳网络的容量。本课题的主要研究成果包括：.（1）研究了基于流控的MIMO空间重用机制在无线多跳网络中产生大量频域空洞的根本原因。为了最大限度地开发和利用这些频域空洞，本课题提出了基于流控和迫零干扰消除的MIMO空间重用机制（简称为ROIS机制），在流控机制的基础上，ROIS机制还能够在某些地域和时隙内可以追加相当多的额外数据流，进而大大提高其网络容量。.（2）为充分发挥ROIS空间重用的优势，我们将空间重用机制转化为链路调度问题来研究，兼顾了空间重用的流控制和干扰消除机制。分析了满足该干扰模型的链路调度问题的充分和必要条件，建立了行之有效的集中式、分布式、以及流量负载相关的链路调度算法，使无线多跳网络的实际可达容量更逼近其理论容量。.（3）通过仿真研究了网络流量、节点天线数目、以及干扰半径等应用层关键要素对链路调度问题和相关调度算法的影响。通过实验分析可知基于ROIS的链路调度方法比基于流控的方法具有更高的网络吞吐量，而且不受干扰范围、天线数目和数据流平均步长的影响。.（4）多跳协作虚拟MIMO网络研究。设计了基于协作虚拟MIMO网络多跳传输方案，研究了通信系统构成虚拟MIMO网络时的功率分配问题，给出了功率分配和信道容量之间的关系。重点研究了如何选择合适的中继节点构成多跳的虚拟MIMO网络来最大化端到端的信噪比并最大化链路的吞吐量，并设计了存在多个中继节点时多跳网络的节点调度策略。.（5）MIMO波束成形算法研究。波束成形是MIMO系统的一种重要的传输模式，研究了在每一跳中使用多个中继，同时收发两端到中继的信道存在多径效应时的协同波束成形算法。重点以最大化系统的最小信噪比为目标来优化系统设计过程。当两个终端需要通过基站来交换信息，可用MIMO基站来实现双向中继网络，获得比传统的单向中继网络更高的效率。.（6）译码转发的协同OFDM系统的协同策略与资源分配。大规模多跳网络中，采用译码转发的多跳传输方式有助于消除传输过程中的噪声累积，以OFDM系统的译码转发模式为主要研究对象，研究了系统总发送功率约束下的功率分配与最佳中继选择问题来最大化系统容量。