[00121449]高能效无线中继通信系统

无线中继通信技术具有的小成本、超视距、强覆盖以及低功耗等优势,使其在民用通信、抗灾反恐、军用通信等领域具有非常广阔的应用前景,是下一代宽带无线通信网、无线自组织网、无线局域网以及无线视频广播等领域的核心技术。从基础理论建立伊始,无线中继通信技术由于其复杂的中继传输协议、新的分布式衰落信道模型、分布式信号处理等特点,一直在高效信息传输和理论分析方面面临巨大的挑战。 本成果是在国家863计划项目： “无线通信系统中的用户协作分集技术”（2006.1-2008.12）、“多播网络传输中的网络编码技术研究”（2007.1-2009.12）及国家自然科学基金项目：“宽带M2M通信系统的信道认知与估计技术” （2011.1-2013.12）等课题的支持下完成的。项目最早在2006年获得科技部863计划项目立项,起步较早,目标是解决这种新颖的分布式多天线传输体制的基础理论问题,包括不同转发协议对系统的理论性能影响分析、物理层传输方案设计、功率分配策略等,针对的模型多为比较简单的三节点模型或单天线节点模型。期间国际国内也取得了很大的成果,项目相关的最早的分布式空时码理论也在这段时间被提出。随着基础理论的不断完善,无线中继通信系统在多个方向发展迅速,中继技术已在多个新型通信标准中被采用,如IEEE 802.m及LTE-A等。科技部和国家自然科学基金委都意识到相关研究的重要性,基于课题组的前期丰硕成果,对课题组相关研究给予了进一步支持。 正是基于上述背景,我们面向国家重大战略需求,紧密围绕无线中继通信理论与关键技术展开系统深入的研究,首次建立了基于频谱共享的中继通信理论和分析框架、构建了联合中继多天线信号处理的分布式重叠空时码理论、发明了协作功率优化和峰平比降低技术、并提出了高效中继网络编码理论,课题组实现了面向无线中继信息传输的验证及典型应用平台,在理论创新和关键技术突破方面均取得了创新性成果。 本项目围绕分布式无线中继通信系统,特别是双向中继通信系统的能效问题,利用多维空时频资源,通过有效的数学分析方法解决了国际上无线中继通信领域面临的一些重要理论问题,在多个热点和难点方向上取得了国际领先的成果,重点研究并攻克了以下三大方面的难点问题并取得了国际先进成果： 一是基于基础中继通信理论,中继系统模型和协议趋于复杂化,越来越贴近实际网络,但由于不同协议和模型的适用范围和关注方向不同,加之分布式衰落信道模型也带来更复杂的数学推导,导致理论性能成果还远远没有完善,存在多个技术难点,而且,利用频谱共享可大幅提高传输效率,但结合频谱共享的中继理论研究还是空白。本成果基于频谱共享场景,创造性提出高能效中继转发协议,并完善了多混合协作协议下的理论性能体系,攻克了多个分布式传输带来的数学分析难题。特别的,针对双向中继通信系统,研究揭示了双移动中继通信系统的理论性能影响因素; 二是绿色通信和能效需求已经成为新一代通信系统的发展瓶颈,迫切需要寻找科学的方法评估系统能效性;而随着中继技术在通信标准中采用,一些理想假设研究已经不能满足发展需求,需要考虑估计误差因素对系统性能的理论影响以及更高效的降低峰平比技术;本成果一方面从节点功率分配角度,设计功率受限节点的功率有效性策略和能效准则;另一方面从发送信号功率效率角度,解决了节点功率受限下的低功率利用率问题,提出了多种有效的预失真及峰平比降低方法; 三是对频谱效率的高需求使得双向中继通信成为一个研究热点,其未来潜力也得到广泛认可。从双向通信协议、物理层网络编码等方向上掀起了研究热潮,如何将分集增益性能优异的分布式空时码技术应用到双向中继通信系统是需要解决的核心问题之一。本成果率先利用中继节点多天线信号可交换性,提出了高编码增益的全分集最优分布式重叠空时编码方案;构建跨层联合网络低密度校验码设计理论,并设计实现了近香农限分布式网络编码,包括新颖的联合网络编码-低密度校验码的编码方案; 本项目取得的相关成果突出,围绕高能效无线中继通信系统做出重大创新,已在国际领先影响力的通信类学术刊物上发表SCI检索论文122篇,已获授权发明专利22项及软件著作权2项。15篇代表作SCI他引121次,Google Scholar引用368次,其中单篇论文SCI最高他引26次,单篇Google Scholar最高引用68次。本领域著名的8位IEEE Fellow共计13篇次引用了我们的代表性工作并给予了正面评价。成果包含的多项技术已经在相关领域得到应用。本成果已经获得2015年度陕西高等学校科学技术奖一等奖。