基于MIMO和干扰消除的无线多跳网络组通信算法研究

Wireless multi-hop networks are one of the hot interdisciplinary research directions, and have achieved rapid development in many areas during recent years. However, wireless multi-hop networks also face many technical problems, one of the most important technical problems is how to reduce the group communication latency of wireless multi-hop networks. Both from the two perspectives of theoretical analysis and experimental study, this project investigates how to use two kinds of technique including MIMO and interference cancellation to reduce the group communication latency of wireless multi-hop networks. This project first analyzes the main factors affecting the group communication latency, explores how to increase the spatial multiplexing degree by introducing MIMO technology, and designs channel assignment strategies by combining the MAC protocol to improve the channel utilization and the transmission success rate, and thus significantly reducing the theoretical latency and the actual required latency of group communication algorithms. Secondly, this project analyzes the fundamental reasons on causing signal interference, studies how to use the two techniques of interference nulling and interference alignment to cancel the signal interference in wireless multi-hop networks, and proposes the group communication tree construction method and link scheduling strategies which can maximize the effect of interference cancellation, with the aim of significantly reducing the group communication latency; Finally, this project theoretically analyzes the approximation ratios and time complexity of these proposed group communication algorithms, and evaluates the validity and effectiveness of these proposed algorithms by simulation with different parameters at the application layer, such as the network size, the network topology and the number of antennas and so on.

无线多跳网络是多学科交叉的热点研究方向之一，近年来在许多领域得到了迅猛发展，同时也面临很多技术难题，其中最主要的技术难题之一是如何降低无线多跳网络的组通信延迟。本项目从理论分析和实验验证两个角度，研究如何利用MIMO和干扰消除两种技术来降低无线多跳网络的组通信延迟。首先分析影响组通信延迟的主要因素，探索如何通过MIMO技术来增加空间复用度，并结合MAC层协议设计信道分配策略以提高信道利用率和传输成功率，进而大幅降低组通信算法的理论延迟和实际所需延迟；其次，针对信号干扰问题，分析产生信号干扰的根本原因，研究如何采用干扰对零和干扰对齐两种技术来实现无线多跳网络中的干扰消除，提出能最大程度发挥干扰消除效果的组通信树构造方法和链路调度策略，以期显著降低组通信延迟；最后理论分析组通信算法的近似比和时间复杂度，并通过仿真实验验证所提算法在不同网络规模、拓扑结构和天线数目等应用层参数下的正确性和有效性。

无线多跳网络可通过协作方式实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或者监测对象数据，并对这些数据进行融合处理，以获取准确详尽的特定数据，传输给需要这些数据的用户。组通信是实现无线多跳网络数据传输的重要方式，然而现有传统的组通信算法往往忽略了网络节点的节能需求以及多信道通信技术的时空复用特性，在实际应用中存在许多局限性。本项目基于无线多跳网络的应用特点，深入研究影响组通信性能的主要因素，探索MIMO和干扰消除技术的应用方法，突破信道分配策略、组通信树构造方法、链路调度策略等关键技术，最终形成了以下五个方面的研究成果。.1）针对单信道通信的不足之处，提出了基于活跃冲突图和多信道分配着色的广播算法EBA，理论分析了所提算法的近似比和时间复杂度，并通过仿真实验验证了所提算法的性能；2）在充分考虑网络节点数据多样性的基础上，提出了基于连通支配集交叉传输的数据收集算法NDG，理论分析证明了该算法具有较好的性能界限；3）针对现有数据聚合算法存在的不足，设计了一种基于活跃冲突图和信道分配着色的数据聚合算法NDAS-UAO，理论分析证明了该算法具有较低的理论最高延迟，仿真实验结果表明，该算法能够显著降低数据聚合延迟；4）设计了一种基于连通支配集的分布式数据传输算法DMPID，应用于无线多跳网络，以提高数据传输的成功率，仿真实验结果表明，该算法在不同分布式网络环境下的性能都要明显地优于现有算法；5）提出了基于组播组冲突图和规模约束最大独立集的组播算法SBM，理论分析和仿真实验结果表明，所提组播算法在稠密无线多跳网络中的性能要优于现有算法。.在本项目的支持下，课题组获得了预期的研究成果，在国内外重要的学术期刊和会议上共发表了11篇论文，其中在SCI检索国际期刊发表3篇，EI检索期刊和会议发表4篇，协助培养博士研究生2名，硕士研究生2名。本项目的研究成果，能够为无线多跳网络在实际应用中提升数据分发和收集服务质量提供理论依据和技术支撑。