空时协作定位的信息机理及算法设计

Real-time high-accuracy location awareness is critical for numerous emerging wireless applications in the various sectors. A new paradigm, in which mobile nodes exploit spatiotemporal cooperation for positional inference, is envisioned to be an effective solution for providing high-accuracy location awareness in harsh environments. However, the dynamics of information coupling induced by spatiotemporal cooperation remains unclear, compromising the performance of cooperative localization algorithms and resource allocation strategies. This research aims to understand the dynamics of information coupling in spatiotemporal cooperative localization networks, and then to develop new localization algorithms and allocation strategies that mitigate the coupling effect, fully unleashing the benefit of cooperation. In particular, we will derive the equivalent localization information for a given spatiotemporal state, from which we determine its relationship to various network parameters and its intensity decay with respect to the spatiotemporal distance. Built upon the theoretical basis, we will design new distributed localization algorithms, which mitigate the effects of information coupling by scheduling the iterations in the network and clustering subsets of states. Moreover, we will also develop efficient resource allocation strategies for distributed dynamic networks, in which the performance objectives capture the information coupling effect. The outcomes of this research will provide new theories, insights, and guidelines for the design and operation of cooperative localization networks.

实时高精度的位置信息对未来无线移动网络在各个领域的应用起着至关重要的作用。近年来，网络空时协作的新架构为解决复杂环境中高精度的定位难题提供了有效的方案。但是对协作所产生的信息耦合机理认识的不足，影响了分布式定位算法和资源分配方案的性能。本课题旨在研究协作定位网络中空时信息耦合的机理，并设计带有耦合补偿的分布式定位算法和资源分配方案，以获取最大的协作增益。具体来说，本课题拟通过推导得出给定空时状态的等效定位信息，来确定产生信息耦合的主要因素及其强度随空时距离的衰减规律。在此基础上，设计新型的分布式定位算法，通过优化迭代算法的网络时序安排和状态聚簇来有效抑制信息耦合的影响。同时，也将为动态的分布式协作定位网络设计高效的资源分配方案，通过对目标函数进行耦合补偿来提高优化方案的性能。本课题将为协作定位网络的设计与运行建立新的理论基础、提供重要洞见，并帮助设计有效的网络算法。

实时高精度的位置信息是未来移动网络最重要的信息之一。在卫星拒止环境下，网络空时协作的新架构为实现无缝高精度的定位导航提供了解决方案。但是，网络空时协作将产生复杂的信息耦合机理，阻碍了高效分布式定位算法的设计。本课题围绕网络协作定位的理论与算法，开展的研究工作包括协作定位中的空时信息耦合和相对定位理论、协作定位资源分配中的合作与博弈、基于全双工和天线阵列的网络协作定位理论与算法等，取得了一系列研究成果，为协作定位网络的设计与运行提供理论指导和性能参考。具体研究成果包括：推导得出在空时协作网络中任一空时状态的等效定位信息，确定了信息耦合的主要因素及其强度随空时距离的衰减规律，并开发了带有信息耦合补偿的定位算法；引入了相对定位的概念及指标，通过子空间投影实现了协作定位网络从绝对定位到相对定位性能的转换，并给出了子空间的闭式解；基于等效定位信息，建立了协作定位网络的资源优化框架，开发了基于合作和博弈目标的资源优化算法，大幅提升了定位网络的整体性能。除了既定的研究目标，研究团队也探索了全双工和天线阵列技术对于高精度定位的重要作用，成果包括：提出了一种基于全双工的低时延网络协作定位测量方案，在两帧通信时隙内即可完成所有协作节点的定位，并开发了高效的联合信道估计和网络定位同步算法；揭示了多天线阵列定位分辨多径效应的机理，证明了多径信号可分别由信号的时域相关性和信道的空域相关性两个维度进行分辨；提出了一种基于波束空间的阵列定位算法，证明了仅用两维波束空间即可实现阵列信号的无损表达，进而开发了最优波束空间设计算法，为低通信负担下的定位提供了实用的信号降维方法。本课题的成果可以为协作定位网络的设计与运行建立新的理论基础、提供重要洞见，并帮助设计有效的网络算法。在本项目的支持下，课题组共发表IEEE期刊论文11篇，国际会议论文11篇。