国家自然基金标书-高移动性宽带无线通信网络重点理论基础研究

项目名称：高移动性宽带无线通信网络重点理论基础研究首席科学家：范平志 西南交通大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部 四川省科技厅一、关键科学问题及研究内容2.1 拟解决的关键科学问题本项目旨在建立高速移动、复杂干扰等场景下的宽带无线通信网络重点理论体系。以信息理论为主要基础和重要手段，重点研究宽带无线通信网络的性能容量限、逼近性能容量限的网络传输机理与干扰应对策略。因此，本项目重点研究解决如下三个关键科学问题：无线通信网络资源制约系统性能的规律高效的网络传输机理与广义编码方法混叠信号可分离机理与抗干扰理论这三个问题的解决直接影响到无线通信网络的优化设计和运营成本，与国民经济紧密相关。如果网络设计不合理，既浪费资源，又不能满足应用需求，还会面临更新换代的压力。因而，要建设经济合理、能效优先的高效网络，必须有坚实的理论支撑和先进的技术支持。科学问题一 无线通信网络资源制约系统性能的规律 无线通信网络资源制约系统性能的规律是网络信息理论体系的基石，主要揭示信息容量限、自由度与功率、带宽、能耗、用户行为、时延和移动性等网络要素之间的相互关系。经典信息理论的信道容量概念揭示了简单信道模型下的信息速率与带宽和功率之间的关系，为点到点通信系统的设计提供了理论依据，也为系统优化提出了明确的目标。如Shannon极限揭示了高斯噪声信道在带宽和功率受限情况下的信息速率，而遍历容量（ergodic capacity）和中断容量（outage capacity）刻画了时变信道Shannon极限的统计特性。在实际应用中，利用编码技术较好地解决了深空通信系统的星上系统发射功率受限问题。反馈、协作、干扰与竞争等无线网络通信特征，以及丰富的用户行为与多样化的业务需求加大了网络信息容量分析的复杂性，使得传统的基于无线链路的信道容量概念无法全面刻画网络系统性能，因而需要从网络的角度来重新定义系统容量，揭示网络资源制约系统性能的规律。同时，移动性带来信道的多重选择性（Multiple-Selectivity），而经典的Shannon信息论目前主要侧重于研究静态链路的极限性能，还没有很好地解决动态链路和动态网络的容量和性能限问题。缓存、接入、多跳、转发和移动等因素带来较长时延，因而不能获取信道的统计变化特性，需用非平衡（non-equilibrium）的思想来描述局部均衡（local equilibria）容量。具体地，针对处于不同场景、承载不同业务、具有不同网络结构和不同用户行为模式的异构的无线通信网络，网络信息理论必须解决的问题包括：反馈能否提高容量；协作通信系统的容量限如何确定；有限反馈机制、不同的协作通信协议以及多样化的干扰形态（用户间干扰、小区间干扰、网间干扰等）等因素如何影响无线通信网络的信息容量；如何分析能量约束条件下的信息容量限；如何刻画宽带无线通信中信息容量的渐进行为自由度；如何将用户高移动性纳入信息容量限等。从网络基本构成单元信息容量域的分析与计算出发，基于网络信息容量的认知，建立网络信息容量的数学模型，研究规模化无线网络的动态性能限，并量化无线网络资源、用户行为和移动性等通信场景对系统性能的制约，从而获得高速移动与复杂干扰等场景下的无线宽带通信网络设计的理论指导和优化目标。科学问题二 高效的网络传输机理与广义编码方法 优化资源分配，降低能量消耗，逼近容量限，提高通信效率一直是无线通信网络设计所追求的主要目标。网络信息容量限揭示了系统的性能极限，通过编码逼近网络性能限，通过智能中继与自适应协作提升频谱效率与能量效率以满足各种复杂场景要求，是无线通信网络信息理论体系与实践结合的桥梁。随着网络通信的发展，一方面网络拓扑结构越来越复杂，另一方面通信对系统能效要求越来越高，通信的带宽越来越宽，使得传统编码理论与技术面临新的挑战，这也为拓展传统编码与协作通信理论与技术内涵带来了新的机遇。从宽带化信息理论的角度需要探讨的未来广义编码问题包括：如何在能量效率优先条件下，研究适合于宽带无线衰落信道的高谱效高能效的编码调制理论与设计方法；如何实现协作、感知与反馈等网络通信机制的有效利用；如何从网络结构出发，拓展适合于具有结构化网络的广义编码理论及方法；如何构建高效可靠的网络编码提升网络通信效能等。科学问题三 混叠信号可分离机理与抗干扰理论 未来移动通信的发展要求增加网络的覆盖，提高传输速率，支持高移动性，同时要求容纳更多的用户，用户密度的提高导致小区内、小区间和网络间的干扰日趋复杂，移动性的增加进一步加剧了干扰的复杂化和动态化，使其成为严重制约通信系统性能与用户容量提升的瓶颈。目前，应对干扰的方法可以从干扰信号分离、干扰避让、干扰博弈、干扰协调和干扰利用等多个角度展开，包括有效的多址接入方式、基于确定与统计特性的干扰分离方法，基于多用户分集的机会式调度算法，以及基于干扰对齐、预编码、协作通信等的干扰协调和基于网络编码的干扰利用技术。随着无线通信系统的发展，现有抗干扰理论面临着高频谱效率与多用户容量巨大需求、各种无线应用需求的多样化以及快速多变的复杂环境等多方面的挑战，需要发展新的抗干扰理论，包括：如何利用信号的不同特征区分不同用户，探索混叠信号的可分离机理与分离方法；如何设计高频谱效率、高用户容量以及低复杂度的新型多址接入方法；如何根据不同干扰环境的本质特征合理提炼干扰网络模型，并发展相应的“干扰避让”、“干扰协调”和“干扰利用”等抗干扰理论和方法，以适应复杂多变的无线干扰环境。上述三个科学问题是面向高速移动与复杂干扰等场景下无线通信网络重点理论体系不可分割的组成部分。科学问题一重点解决无线通信网络的信息理论限；科学问题二重点解决如何平衡各种资源，提高网络信息传输效能；科学问题三重点解决如何应对无线通信网络的传输瓶颈干扰问题。三个关键科学问题是相互衔接、相互促进，递进式发展的（如图1所示）。一方面，科学问题一的研究结果将给出网络信息容量的数学模型，揭示网络动态容量与网络资源的制约规律，为科学问题二、三的研究提供理论指导。另一方面，通过对科学问题二和科学问题三的研究，也会进一步加深对网络信息容量的认知，改进网络信息容量模型，促进科学问题一的研究。图1. 科学问题之间的关系2.2 主要研究内容 围绕上述三个关键科学问题，本项目拟从如下方面开展研究工作：针对科学问题一，围绕无线通信网络的基本特征，研究无线网络资源等制约系统性能的规律；主要研究高速移动等复杂多变场景下点到点、广播、多址、中继、反馈、干扰、MIMO等网络基本单元的信息容量域；以此为基础研究规模化无线网络的动态性能限等。针对科学问题二，研究提升网络信息传输效能的理论与方法，包括“高谱效高能效信号设计与编码调制理论”和“智能中继与自适应协作通信理论”。针对科学问题三，研究应对复杂干扰的理论与方法，包括干扰分离、干扰避让、干扰协调与干扰利用四个不同层次。本项目的主要研究内容和三个科学问题之间的关系如下图（图2）所示:图2. 研究内容与科学问题之间的关系2.2.1无线通信网络资源制约系统性能的规律 围绕反馈、协作与干扰等无线通信网络的基本特征，首先针对网络基本单元，研究有限反馈信道、多用户协作通信系统及干扰信道的信息传输容量，研究网络状态信息不匹配条件下的信息容量限，在此基础上，研究大规模网络信息容量的认知。主要研究内容如下：l 高速移动环境下的性能限l 有限反馈信道的容量（含MIMO）l 多用户协作通信的容量（含MIMO、多址、广播、中继）l 干扰信道的容量（含MIMO）l 大规模网络的信息容量与动态平衡特征2.2.2高频效和高能效传输的信息论机理与广义编码方法 在提升无线通信网络信息传输效能方面，从能量效率和频谱效率两个角度，研究高谱效高能效的信号设计与编码调制理论，研究智能中继与自适应协作通信理论与方法。主要研究内容如下：l 高谱效高能效的信号设计与编码调制理论l 稀疏调制信号的设计理论与检测方法l 离散谱传输理论与方法l 信道预编码理论与方法（含多用户MIMO预编码、非线性预失真编码）l 高频效联合信道编码网络编码调制理论与技术 ( MARC) l 高速移动环境下的自适应调制编码技术l 移动网络智能中继与自适应协作通信理论与方法l 移动性增强无线网络容量的机理l 移动中继（Mobile Relay）及其协作分集理论l 认知中继（Cognitive Relay）及其机会式传输理论l 支持群移动性（Group Mobility）的智能协作通信理论2.2.3混叠信号可分离机理与抗干扰理论面向高速移动等快变复杂场景，研究混叠信号的可分离机理与分离方法、新型多址接入理论、从干扰分离、干扰避让、干扰协调与干扰利用展开抗干扰理论与策略研究。主要研究内容如下：l 基于信号随机以及确定性特征的混叠信号可分离机理l 基于正交、混叠多址的干扰避让与干扰分离理论与方法l 基于认知的干扰避让与干扰博弈理论与方法l 基于干扰信道容量的抗干扰度量理论l 高移动环境下的抗干扰理论与方法l 基于网络MIMO和干扰对齐的干扰协调理论与方法l 基于物理层网络编码的用户间干扰利用理论与方法2.2.4关键传输技术半实物实验验证系统 建立面向高速移动与复杂干扰场景下的宽带编码传输技术和无线网络半实物实验验证系统，对各种典型通信机制与动态场景下的无线通信网络信道、资源和能耗进行仿真建模。在分析多种不同新应用网络环境的信道特性和应用特点的基础上，设计验证演示平台的功能模块，将项目的研究成果应用到各功能模块中，并设计高速铁路车地宽带无线通信等典型应用场景对编码传输理论的关键技术和方法进行仿真，验证与分析模块的功能和性能，评估研究成果的科学性与有效性。二、预期目标总体目标(1) 面向国家在信息领域方面的重大需求，针对高速运动与复杂干扰等应用环境，为国家中长期信息领域的若干前沿技术和重大专项研究提供坚实的理论基础。在基础理论与关键技术方面取得一批具有原创性的研究成果并达到国际领先水平，面向ITU、IEEE、3GPP、UIC（International Union of Railways，国际铁路联盟）等国际标准化组织，形成具有自主知识产权的国家、国际标准。(2) 完善广播、多址、中继、干扰、反馈等网络基本构成单元信息容量域分析，形成较为完整的高速移动等复杂场景下通信极限分析的理论框架。(3) 基于网络信息容量的认知，建立网络信息容量的数学模型，研究规模化无线网络的动态性能限，并量化无线网络资源、用户行为和通信场景对系统性能的制约，从而获得高速运动与复杂干扰等场景下的无线宽带通信网络设计的理论指导。(4) 获得宽带编码调制系统在快速多变复杂环境下的性能限；提出低能耗自适应编码调制方案；完善编码调制系统设计准则和性能分析评估方法。完善移动中继、认知中继协作传输理论，提出支持节点移动性和群移动性的中继网络传输理论。(5) 提出高效（低复杂度，低能耗）的信号复用技术和预编码方案，形成一套完善的信号设计与信号分离技术。提出用户间干扰利用理论与方法、小区间普适干扰协调理论与方法和网间干扰避让理论与方法。(6) 通过项目研究培养一批中青年学术带头人、学术骨干以及具有创新能力的高水平研究生，建立一支具有国际影响力的高水平研究队伍，使我国进入信息理论与无线通信研究的国际领先行列。项目在五年时间内的可量化指标：(1) 出版中英文专著5本以上，发表SCI检索论文120篇以上，其中重要国际学术期刊（IEEE (IT/JSAC/T-Com/T-Comp/T-WCom/T-VT)）80篇以上；(2) 取得一批国际公认的原创性研究成果，形成自主知识产权，申请国际