无线多跳网络中的分布式波束形成关键技术研究

无线多跳网络的基本问题之一就是要在节点发射功率或能耗受限的前提下提高单跳距离来减小网络传输时延和节点能耗。借助于多节点物理层协作技术如分布式MIMO技术可以有效地利用空域资源来增加节点的覆盖范围。由于协作是多跳网络的重要特征，分布式MIMO技术很适合应用到无线多跳网络中。其中分布式波束形成技术通过电磁波在空间的相干叠加，将能量聚焦于目的节点，从而扩大覆盖范围，获得更高的空间谱利用率。本申请拟：针对已有接收选择性分集及单端分布式波束形成技术等方法中空间谱利用率不高的问题，利用发射聚焦和接收聚焦即收发双聚焦的思路研究双端分布式波束形成技术，并将此应用于多跳网络簇间通信中；针对在时间同步后，协作分集目的节点端存在多个频偏的问题，利用由频偏造成的时变信道是有规律的这一特点，研究快速信道均衡和信号检测方法；针对无线多跳网络中节点间通信互相干扰的问题，研究基于点抵消分布式波束形成的干扰抑制方法。

分布式波束形成技术通过使电磁波在空间相干叠加，将能量聚焦于某个特定的目的节点，从而提高信噪比，增加传输距离。将其应用到无线多跳网络更是可以结合两者的优点，使无线多跳网络增加节点的覆盖范围并减小能耗。在经过三年国家自然科学基金资助研究后，目前本申请所取得的成果如下：在无线多跳网络中，理论仿真和硬件实验平台实测均证明了分布式波束形成的性能的确优于传统的协作分集方法，能够提高无线多跳网络的传输距离和能量利用效率；并在多跳网络簇间通信中，利用收发双聚焦来实现在网络中的路由，仿真实验表明，分布式波束形成可以增加传输距离，降低能耗，其bit/J性能也优于传统的非相干协作分集方法；在OFDM通信方式下，提出了一种协作节点到目的节点的信道是平坦衰落且同时存在频偏和时偏下的信号检测方案，可以用此方案来保证时间和频率未能严格对齐时的分集增益；将点抵消的思想应用到无线网络物理层安全方面，在无线网络物理层保证通信安全也就是在某个接收点同相叠加提高信号强度，同时在某个特定的接收点使信号反相叠加从而收不到信号，这相当于基于点抵消分布式波束形成的干扰抑制方法的一种自然应用和推广，提出了一种基于随机幅度波动的分布式波束形成物理层安全传输方法；此外，我们已经提出了多种相位同步、校正的发射聚焦算法，完成了硬件平台上的使用有线辅助的相位同步、校正的发射聚焦方法，并完成了在有频偏的情况下分布式波束形成性能的实测。本项目已按计划顺利开展，在上述几个方面获得了一定的理论突破和技术创新，取得了丰富的研究成果，预期将对促进相关学科的研究起到积极的推动作用。