基于认知无线电的中继与协同通信研究

认知无线电是近年来无线通信领域提出的一项全新频谱资源使用方式，它通过各节点或网络主动、自治、智能的感知电磁环境并选择合理的传输频带和方式，获得无线频谱使用效率的极大提升。与此同时，为提高无线通信的传输可靠性、网络连通性和区域覆盖性，节点中继与协同技术在网络体系结构演进中扮演着日益重要的角色。随着无线通信的发展，认知无线电创新技术与节点中继协同通信方式将相互渗透，可共同提高下一代无线网络的资源效率和服务质量。本项目旨在探索基于认知的中继协同通信系统，为下一代网络的体系结构和关键协议算法提供理论和实验基础。具体将探索如下四个统一在共同网络构架下的科学问题：面向中继协同通信的认知方法和技术；分布式认知中继选择与协同资源配置理论；多跳认知通信系统的资源合作博弈；基于跨层优化的多网异构认知中继协同。本项目不仅有助于优化多系统并存的无线网络体制，而且能够从理论上阐明认知多跳无线信息网络的若干性能极限。

项目承担单位对基于认知无线电的中继与协同通信开展研究，阐明了认知中继与协同通信的四维频谱空洞使用机理和感知方法，提出了精确控制空间频谱形态的中继与协同通信方法，建立了可逼近分集-复用增益极限的频谱共享中继通信理论框架，并通过跨层设计，优化了中继与协同通信在认知场景下的服务质量。围绕项目的四个子课题，项目取得了重要的理论创新成果。第一、提出了基于时-空-频-向四维频谱空洞的CORE-4中继与协同通信系统架构。第二、提出了基于半测距定位的四维频谱空洞感知方法，在此基础上利用序贯检测和压缩感知方法，可使频谱空洞感知速度和精度获得明显提升。第三、提出了基于四维频谱空洞的中继传输方案，采用非恒速码（Rateless Code）和分布式波束成形，显著提高了系统的吞吐量、可靠性和频谱空洞利用率。第四、首次应用随机多分超图与匹配理论，建立了认知与协同通信的频谱共享解析理论，并提出了相关的低复杂度算法。第五，提出了认知中继通信的跨层优化理论框架，基于物理层信道和网络层队列的联合状态，优化中继调度策略，并对协同通信中跨层设计的共性问题开展研究，提出了若干概率估界方法。课题组还依托于北邮为认知无线电973项目和基金重点项目群建设的演示平台，研制了基于非恒速码的认知中继与协同通信演示系统，和认知无线电通信抗干扰演示系统，部分验证了理论研究成果。获得资助以来，发表学术论文152篇，其中IEEE期刊论文23篇，其他SCI论文16篇，EI论文139篇。获2010年国家科技进步二等奖，2009年IEEE马可尼论文奖，国际会议最佳论文奖5项，国际会议特邀论文4篇。论文成果得到国际学术界的高度评价，SCI他引35次、EI他引77次，Google他引334次，引用者包括10余位IEEE Fellow。申请国家发明专利20项。成功参与主办包括ICC，VTC，CCNC，ICCC和ICCT等IEEE国际学术会议6次，境外学术报告20余次，参加国际学术会议40余人次，邀请了包括美国工程院院士Kumar，英国工程院院士Hanzo等20余名海外知名教授来访讲学与合作研究。项目培养博士14名，硕士20名，博士后5名。其中一人获山东省优秀博士论文，5人入职清华大学等高校任职。项目组青年成员获IEEE亚太区最杰出青年学者奖，获首届973青年科学家专题项目并任首席科学家，入选教育部新世纪优秀人才计划和北京市科技新星计划。