具有块对角消息拓扑的无线分层网络自由度研究

Wireless network reseach based on spatial degree of freedom (DoF) analysis has been an important content of network information theory. However, most of current works are focused on single hop networks with muti-source and multi-sink. There is still few understanding about more complicated networks. From survey we find that: horizontal expansion of single hop networks will result in cascaded multi-hop layered networks, while vertical expansion of it will obtain a larger single hop network with parallel subnetworks. Both cases share the same message topology structure with block diagonal matrix. Based on this observation, we plan to study such type of complicated networks in this project. Advanced interference management technique such as interference alignment and interference neutralization will be used to maximize the efficiency of spatial resource. The DoF of such networks will be studied, which can help explore the common mechanism of advanced interference management. Finally we want to reveal the general principle of building linear scaling law for these networks. Its importance lies in that: based on DoF analysis, we can not only find the bottleneck of network capacity and break through it with feasible approach, but guide the signal design, interference management and obtain transmission schemes with specific properties. This work can be applied to networks without infrastructure, such as maritime communication systems, sensor networks, and Ad hoc networks, as well as networks with infrastructure, e.g. LTE-A systems. Therefore, wide applications of this project can be expected.

基于空间自由度分析的无线网络研究已经成为网络信息论的重要内容，但现有文献大多围绕简单的多源多宿单跳信道展开，对于更复杂的网络仍然缺乏了解。我们调研发现，如把单跳网络进行横向扩展将得到多跳级联的分层网络，进行纵向扩展将得到多网并联的单跳分层网络：这两种情况下网络都具有块对角结构的典型消息拓扑。据此，我们拟对该类较为复杂的网络展开研究，采用包括干扰对齐与干扰中和等先进的干扰管理技术来实现空间资源的最大化利用，探索该类网络的自由度问题，阐明先进干扰管理技术的一般机制，揭示建立网络线性可扩展性的一般规律。其重要性在于：基于自由度分析，我们不但能发现网络瓶颈、找到提升系统容量的有效途径，还可以指导信号的设计以及干扰的管理、获得具有特定属性的传输方案。本项目不仅适用于无基础设施的网络，例如船舶通信系统、传感器网络、Ad hoc网络，还可用于有基础设施的无线网络，例如LTE-A系统，具有广泛的应用前景。

基于空间自由度分析的无线网络研究已经成为网络信息论的重要内容，其中最重要的信道模型包括干扰信道和X信道。把单跳网络进行横向扩展将得到多跳级联的分层网络，进行纵向扩展将得到多网并联的单跳分层网络：这两种情况下网络都具有块对角结构的典型消息拓扑。..对于级联网络，我们从基础的每级单节点开始，考虑不同信源信宿数目情况下TDD模式的容量问题，主要问题是确定可行网络状态，然后进行时间上的调度；其次考虑FDD模式的可达速率问题，主要涉及频带的分配问题；之后分析了全双工模式下如何避免隐藏终端问题，及对应最大可达速率；最后研究了更复杂情况下的一些网络模型。..对于并联网络，我们主要分析了两网并联的情况，也给出了某些情况下多网并联模型的自由度。给出了三种基本网络（PTP、BC、MAC）、两种简单网络（IC、XC）相互并联的组合，部分考虑了感知情况下的自由度分析，最后考虑了更复杂的双向通信中继并存网络。此外，我们考虑了基于传播时延对齐的相关模型，包括单跳、双跳网络。最后考虑实际应用，我们探讨了一些模型下收发机的设计问题。..一些重要结果包括：（1）级联网络中采用FDD可以更容易实现最优资源分配；（2）在中继节点采用大规模天线技术可以改善级联网络性能；（3）并联网络中消息感知可以改善系统自由度；（4）低功率通信是降低网间干扰的有效方法；（5）节点对消息的需求差异导致了网络中有用信号与干扰的相对关系。..采用干扰对齐与干扰中和等方法来实现空间资源的最大化利用，阐明先进干扰管理技术的一般机制，揭示建立网络线性可扩展性的一般规律。其重要性在于：基于自由度分析，我们不但能发现网络瓶颈、找到提升系统容量的有效途径，还可以指导信号的设计以及干扰的管理、获得具有特定属性的传输方案。本项目不仅适用于无基础设施的网络，例如船舶通信系统、传感器网络、Ad hoc网络，还可用于有基础设施的无线网络，例如LTE-A系统，具有广泛的应用前景。