基于虚拟MIMO的无线自组织网络中协作策略研究

Cooperative transmission is one of the key technologies for the performance improvement of wireless ad hoc networks (WANET), and there exist a large number of open issues related to cooperative transmission to be addressed. This project mainly concentrates on the critical issues of virtual-MIMO-based cooperative transmission in WANET, including: 1) for conventional WANET, to study the cooperative transmission respectively with the limited CSI feedback and energy harvesting, 2) for cognitive WANET, to respectively study the cooperation strategies on how data transmission of primary network is assisted by secondary network, and the energy- efficient cooperative transmission. The former can be further divided into three parts: the cooperation in secondary network, the cooperation between secondary network and primary network and the trust management in cooperation, 3) based on the testbed built by project team before, to study the strategies tailored for cooperative transmission in wireless sensor networks (WSN). Aiming to all these issues mentioned above, such as limited channel state information (CSI) feedback, energy harvesting, spectrum sharing, trusted cooperation and energy-efficient cooperation, the corresponding mathematical optimization models are established by adopting relevant formulation approaches and key technologies. Furthermore, by solving models for different scenarios, new theories and methods to cooperative transmission are proposed in order to enhance the capability of data transmission in WANET, and also prolong the lifetime of WANET, which provides theoretical basis and technology supports for the performance promotion and practical networking of WSN.

协作传输是无线自组织网络提高性能的关键技术之一，现有工作对于协作传输的研究还有很多问题亟待解决。本项目主要研究无线自组织网络中基于虚拟MIMO的协作传输关键问题，包括：1) 对于传统无线自组织网络，分别开展有限反馈条件与能量收集场景下协作传输策略研究，2) 对于认知无线自组织网络，分别开展次网络协作主网络数据传输策略研究（包括次网络内部协作、主次网络间协作及诚信协作管理）以及能量有效协作传输策略研究，3) 基于项目组已经具备的实验平台，开展适用于具体无线传感器网络的协作传输策略研究。针对上述有限反馈、能量收集、频谱共享、诚信协作以及能量有效协作等问题，采用合理的描述方法及关键技术建立了相应的数学优化模型，并提出了协作传输的新理论与新方法，实现了无线自组织网络数据传输能力的提高以及系统整体寿命的延长，为实际无线传感器网络的性能提升与布网实施提供了理论基础与技术支持。

虚拟MIMO技术已经成为多年来自组织网络的研究热点，但如何设计更具实用价值、高能量利用效率的协作策略仍需进一步的研究。本项目主要研究了无线自组织网络中基于虚拟MIMO的协作传输关键问题，包括：1) 针对无线传感器网络协作路由算法研究方面，考虑利用线性优化信息传输多跳跳数、多跳与单跳相结合形成N级协作网络、引入遗传算子对簇头簇数进行组合的遗传算法及基于蚁群算法的自组织网络等方案，新的研究方案提升了网络有效生命周期、提高了网络吞吐量及协作传输性能。2)针对认知无线自组织网络协作传输策略研究方面，引入携能通信技术。分别对单向中继与双向中继系统，研究携能通信模式下的协作传输策略。对于主次网络间协作传输，给出一个次用户协助多个主用户进行传输的“一对多”协作模型，利用网络编码及OFDM技术，节省主网络数据转发频谱开销，最大化授权频谱的利用效率。在保证性能实现的前提下，进行快速高效的自适应功率分配。项目为了进一步降低功率分配的算法复杂度，提出了一种截顶注水的次优功率分配算法。项目针对认知OFDM系统，在保证对主用户干扰约束以及次用户总功率约束的前提下，通过对子载波功率进行逐次分配来最大化系统容量。3）认知无线自组织网络能量有效协作传输方法与策略方面，提出了一种新的认知无线传感器网络中能耗有效的协作频谱感测算法，方案有效地降低了认知传感器网络的节点总能耗，提高了能耗效率。4）基于能量收集和空间复用的二加一认知协作网络研究方面，方案中，一个多天线次级用户同两个主用户协作，三方达成频谱共享策略，采用能量收集和空间复用技术实现高频谱利用率与能耗效率，方案保证了主用户数据传输的可靠性，提高了次用户传输速率。本项目研究内容既有科学问题的攻关，又有实用技术的推广，相关研究成果在理论上能够提升无线自组织网络的通信性能，在技术上能够指导无线传感器网络的部建实施，具有重要的理论意义和应用价值。