973项目标书高移动性宽带无线通信网络重点理论基础研究.doc

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，申请国际和国内发明专利40项以上，含基础专利申请5项；提交标准10项。(3) 建立一支具有国际知名度的高水平研究队伍，培养创新型学术带头人和学术骨干约20名，形成国家级/省部级学术创新团队1-2支；(4) 力争新增国家级杰出人才（国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、科学院百人计划人选）1-2名，其他省部级优秀人才（新世纪优秀人才等）5-10名；(5) 培养优秀博士生60名、硕士研究生50名，培养全国百篇优秀博士论文奖或提名奖获得者1-2名。(6) 建立高移动性环境下宽带无线通信关键技术仿真验证平台，以及半实物实验验证系统三、研究方案4.1 学术思路 项目的组织规划与学术思路可以简述为：“一、二、三、一”，即一套理论、两种方法、三级规模、一个平台。“一套理论”：项目紧扣指南，突破经典信息论在快速多变与复杂干扰场景共存环境下的局限，建立宽带网络信息容量数学模型，发展一套分析与计算宽带无线网络基本性能限的理论。“两种方法”：以能谱效率优先的新型宽带信息理论研究为目标，研究两种基于宽带信息论的高效传输方法：一种是编码方法，包括编码调制、网络编码、竞争与协作编码等；另一种是抗干扰方法，包括“干扰避让”、“干扰协调”和“干扰利用”。“三级规模”：一是点到点的通信，二是小规模网络，三是大规模网络。项目的研究从简单模型到复杂网络，从特殊到一般，再从一般到特殊，逐步逐级推进。“一个平台”：构建一个宽带高移动性实验验证平台。该验证平台将以高速铁路宽带无线通信需求为背景，并兼顾航空、航天和国防飞行体应用需求，致力于验证在350公里/小时以上的超高移动性复杂通信环境下，前述研究成果的有效性。目前，国际上尚没有同时满足超高移动性和高数据速率的“双高”宽带无线通信实验平台。首先，以快速多变与复杂干扰场景下的实际应用环境为研究背景，通过分析反馈、协作、干扰等网络特性，探究宽带无线网络中移动与固定、分集与复用、静态与动态、广度与密度、频谱与能量、正交与干扰、吞吐率与性能、多径与单径、竞争与合作等多类矛盾的辩证统一关系，探索网络资源制约系统性能的规律，从而提出一套分析与计算宽带无线网络基本性能限的理论与方法。其次，在性能限理论的指导之下，研究两种高效的传输方法。一种是宽带编码方法：根据不同的信道环境以及用户之间的合作程度，合理设计编码传输方案，采用编码调制、网络编码、竞争与协作编码等多种技术，逼近网络信息容量限。这两种方法的研究是相辅相成的。例如，多址接入技术既可以从抗宽带干扰的角度也可以从编码的角度研究。一种是抗干扰方法：根据不同网络拓扑结构以及干扰产生的不同机理，合理提炼干扰网络模型，采用干扰避让、干扰协调和干扰利用等多种手段，应对复杂多变的无线干扰环境。最后按照三级规模、一个平台，遵从由简单模型到复杂模型的顺序，在宽带高移动性实验验证平台上分层次验证所研究的抗干扰和编码方法的性能。同时，根据验证结果，改进或修正所获理论限，进一步优化高效传输的方法，丰富和完善快速多变与复杂干扰场景的无线网络信息理论体系。在项目的组织和研究过程中，我们坚持从国家需求、原创角度引导研究；注重概念与方法的创新以及核心知识产权的形成；协调基础理论研究与高技术应用之间互动发展；注重各研究内容之间密切交互；组织系列国内外学术会议和交流活动，扩大影响，提升研究水平；开展广泛的跨学科合作及国际合作，形成一支与国际同步发展的宽带信息理论基础研究队伍。4.2 技术途径解决项目的三个科学问题的基本技术途径有所不同，分述如下。解决科学问题一的基本技术途径是：首先，分析无线宽带通信网络功率、频谱、空间、时间、能耗、移动性、网络拓扑结构以及合作与竞争机制等网络资源的约束条件；其次，利用信息论、测度论、随机矩阵理论、博弈论和排队论等数学工具，通过研究无线宽带通信网络信息容量与网络资源之间的关系，建立无线宽带通信网络信息容量的数学模型；再次，运用容量近似、自由度分析、凸优化、EM算法与动态规划以及Monte Carlo数值计算等方法，分析并计算无线宽带通信网络的信息容量限；在此基础上，获得复杂环境下无线宽带通信网络信息容量限与动态性能限，揭示无线宽带通信网络资源制约系统性能的规律，建立以宽带信息论为基础的系统性能评估与设计准则。解决科学问题一的技术途径如图3所示。图3. 科学问题一的技术途径解决科学问题二的基本技术途径是：首先，从编码应用模型层面分析点到点宽带通信、小规模网络及大规模网络、低移动性到高移动性下宽带通信的特征，从编码设计层面，根据网络信息容量的理论和随机编码的方法分析好码应具备的统计特性；其次，利用图论、博弈论、概率论与代数方法等数学工具，结合“小结构、大随机”的编码指导思想，构造逼近网络信息容量的好码；最后，通过计算机仿真验证码的性能指标，并根据结果改进码构造方法，实现信息的宽带高效传输。解决科学问题二的技术途径如图4所示。图4. 科学问题二的技术途径解决科学问题三的基本技术途径是：首先，分析高速移动以及复杂干扰等场景中宽带混叠信号各成分信号的来源，根据网络规模和网络拓扑结构探究宽带干扰形成的原因与动态变化特性，根据能够获得宽带干扰信息区分干扰形式并分析干扰结构；其次，利用泛函分析、组合优化、随机控制与矩阵理论等数学工具，通过研究宽带混叠信号在各种变换域中的表现形式，揭示宽带混叠信号的可分离机理；最后，根据不同的宽带干扰成因和干扰结构，基于宽带混叠信号的可分离机理，研究多址接入技术、预编码与检测技术以及资源调度策略，提出宽带干扰分离、干扰避让、干扰协调和干扰利用等抗干扰理论与方法，实现抗宽带干扰的数字信号处理技术和通信系统。图5. 科学问题三的技术途径下面分述各研究内容的具体技术途径：4.2.1网络基本构成单元信息容量域的分析与计算 针对高速移动与复杂干扰等场景，研究宽带信道不匹配场景下的性能限，研究有限反馈信道，多用户协作信道，干扰信道等网络基本组成单元的信息容量问题。研究宽带信息容量一般有两种方法：一是理论分析，利用随机编码等思想确定不同网络环境下的信息容量，再应用勒贝格积分等数学理论进一步分析容量函数的特性；一是数值方法，运用线性规划、凸优化、运筹控制等数值方法计算宽带信道容量限。具体的技术路径包括：信道不匹配场景下的性能限无线通信设备的高速移动性带来的突出问题是信道状态快速变化，使得宽带信道参数的估计与真实值之间相差甚远。在这种场景下，我们需要研究未知信道参数场景下的信道容量，研究在接收端选择了错误信道参数进行译码检测给系统性能带来的损失，也需要研究非相干检测译码的极限性能。具体的研究途径是把检测算法作为“人工信道”的一部分，通过分析不同检测算法的统计特性，建立人工信道的模型，然后计算相应的互信息或者错误指数，并与理想情况进行比较，从而指导检测算法的设计与评估。有限反馈信道的容量反馈是保证无线宽带通信业务质量的有效手段之一，但是反馈也不可避免地增加系统的开支。因而，我们需要研究反馈对宽带信道容量的提升程度，研究反馈信道容量随反馈信息多少变化的规律。具体的研究方法包括计算是有向信息等。针对有限反馈信道，首先借助于有向信息的概念刻画信道容量，其次将容量计算问题转化为随机控制问题，建立相应的数学模型和框架，然后利用迭代数值算法（如动态规划算法）计算信道容量的数值，最终确定信道容量限。多用户协作通信的容量多用户协作是改善通信业务质量的另一个有效手段，典型的方式是中继协作，源用户在中继用户的协作下，克服无线宽带通信信道频谱的不一致性，完成向目的地用户的通信任务。我们拟主要通过分析各种中继协作（如调制信号星座协作）的互信息来研究自适应中继协作系统的信息容量限，以指导高速移动环境下中继策略的选择。在研究过程中，我们着重分析时变带来的影响。干扰信道的容量拟采用容量近似法来分析。建立一些特殊的宽带干扰模型，利用有关信息不等式分析宽带信道容量和错误指数，并采用数值计算方法给出数值解；高移动环境下的宽带信道容量在高速移动通信场景下，信道切换频繁，参数多变，给接收信道容量的分析和计算带来了新的挑战。我们将针对不同的移动环境，结合快速变换的通信距离，路径衰落，阴影遮蔽效应以及多普勒频移等因素，建立符合实际的宽带信道模型。应用勒贝格积分和动态规划等数学理论，构造相应的容量函数。基于区域划分思想，研究静态区域（如高铁车厢内部用户网络）和快速移动区域（外部网络）之间、区域内部的用户协作、资源调配以及MIMO等技术对容量的影响，认知和估算快速移动通信场景下的系统容量并以此来指导和优化新环境下的通信网络设计。4.2.2规模化无线网络的动态性能限 无线通信系统网络规模越来越大，与网络扩张相适应的宽带信息理论研究是成为通信网络理论研究的一个重要的热点。本课题主要研究大规模移动宽带通信网络的容量问题，提出相应的时变环境下的网络信息容量限的分析理论，给出时变状态下关于无线宽带网络的信息容量和传输容量的动态平衡特征，讨论面向单播和组播的复合业务模式，量化分析部分网络链路状态和网络干扰对网络信息流容量的影响，加强对用户公平性的讨论等，为建立用于实际的理论优化模型提供理论指导。具体的技术路径包括：时变状态下无线宽带网络的信息容量和传输容量的动态平衡特征在传统的有线网络中，网络的拓扑以及每条链路的传输特征是相对稳定的，可以利用图论和信息流的割集理论进行理论分析，给出相应的网络流上界。而无线网络的网络状况存在诸多的不确定性，这是因为每天无线链路的时变特征所决定的，因此，难以利用图论和信息流的割集理论进行分析。在此问题的研究中，我们将根据网络的时变特征，建立一定的宽带链路模型，将有线容量因子分解方法kai07推广到无线网络分析中，提出时变状态下无线宽带网络的信息容量因子分析法，研究局部链路的时变状态对整个网络容量特征的变化和影响，给出信息容量和传输容量的理论界和动态平衡特征。同时采用基于随机图论理论和无线信道衰落特征的组合理论方法，利用Ising退火理论进行模拟分析和验证。面向多种业务模式的网络信息流容量针对信息通信有向传输的基本业务包括单播和组播模式，在复杂无线环境下根据系统的自由度，建立无线宽带链路模型，节点流量模型以及排队模型，利用图论中 “最大流-最小割”理论，提出信息流尺度率分析法得出相应的网络信息容量，导出相应的理论界。在此基础上，探讨不同的反馈和合作方式下，分析网络容量与时延之间的量化关系。此外，建立基于部分网络环境认知的确定性网络模型Tse07，例如根据认知无线电对无线环境的先验知识和网络节点的反馈信息，根据移动通信链路特征，设计多约束条件下的网络整体优化问题，研究多用户共存的网络容量限，给出确定性的容量界。同时，利用这些结果加深对认知无线网络理解，并利用Superposition编码和网络编码等方法给出信息论层面的可实现编码策略。基于用户公平性的网络容量优化与分析在大规模网络中，大量的用户在共享网络的同时需要通信网络系统提供一种相对公平的资源分配，同时也要求网络资源能在提供用户公平性的同时实现效能最大化。 在该问题的研究中拟采用整体相对公平性原则，提出一些能反映网络特性的具有多参数特征的网络效益函数 （Utility Function）, 利用博弈理论和随机鞅论（Martingle Theory）理论，提出用户公平性的网络容量优化与分析理论，给出网络调度算法的收敛性条件和相应的Nash平衡域，并提出相应的分布式可实现的网络接入控制和功率控制方法等。4.2.3高谱效高能效调制信号设计与编码调制理论 高谱效高能效信号设计的总体原则是充分利用信号空间的结构，将代数码与现代图码相结合，将信源编码、信道编码与调制技术相结合、信号处理与译码检测相结合，以达到低复杂度、高能效和高谱效的编码调制传输。具体的技术途径包括：稀疏调制信号的设计理论与检测方法数字调制的本质是通过密集信号空间的稀疏化来实现信息的嵌入和传输。在多用户无线通信系统中，调制信号只有在特定域具有特定的稀疏性才能实现可靠、有效和低复杂度的分离。因此，可以运用最新提出的压缩感知（Compressed Sensing）或稀疏采样（Sparse Samping）理论，通过获取多用户无线通信信号在经历空中传播和叠加以及接收变换等过程后等效观测矩阵及其统计特性，采用线性化置信传播（LBP）等稀疏图样检测的方法，从而完成信息矢量的检测。同时，根据稀疏图样检测的必要条件，利用优化理论来设计高谱效和高能效的稀疏调制信号。离散谱传输理论与方法研究离散谱信号的最佳设计准则和分析方法，采用喷泉编码、离散多频调制、变换域处理等联合信号设计和联合接收处理方法来实现离散谱物理层聚合，使之适用于频谱宽度和频谱跨度相对适中的离散谱聚合情形；采用高效可靠的调度和汇聚策略以及相应的功率与速率适配机制来实现离散谱链路层聚合，使之适用于频谱宽度和频谱跨度相对较大的离散谱聚合情形。通过研究离散谱聚合传输内在的频率分集与频率复用折中关系和功率与速率适配问题，从而获得离散谱聚合传输容量与可靠性之间的相互影响与平衡准则，为系统的优化设计提供指导。信道预编码理论与方法针对衰落信道特别是多用户MIMO信道，在发送端已知部分或全部信道状态信息的条件下，可以采用基于信道求逆、广义信道求逆、波束成型、发射机和接收机波束联合叠代优化的线性预编码方法，通过调整码书以适应信道时变特性。另外，当发射机已知信道干扰的情况下，可以采用THP预编码（Tomlinson-Harashima Precoding）、基于球型译码的矢量预编码和污纸编码（DPC）等非线性预编码方法。针对分布式天线系统，将研究基于码书和矢量量化的有限反馈预编码方案，以及基于角度域信息的预编码方案。结合信道功率响应和频率响应非线性的无记忆或有记忆模型，分析其对传输性能的影响，利用互补序列等合理设计信号空间结构，以显著提高其功率和频率效率。高频效联合信道编码网络编码调制理论与技术 ( MARC)以逼近MARC的和容量为目标，基于校验比特转发策略(节点对多个用户进行联合编码并转发校验比特)，研究联合网络信道编码理论与设计方法。具体研究思路为：首先，在网络节点正确译码的理想假设下，基于图码研究联合网络信道编码的基本原理，并针对正交多址接入和非正交多址接入等不同场景，利用非线性规划和凸优化理论，研究可逼近容量限的联合网络信道编码理论及设计方法，并推广至衰落信道；然后针对中继节点译码出错的情况，设计适用于源节点中继节点信道特性的目的节点软输出检测迭代译码算法，并基于此研究联合网络信道编码的修正设计方法；最后针对多个源节点多个中继节点的复杂情况，研究源节点和中继节点的优化选择算法。通过上述研究，将最终形成一套系统的，可逼近MARC的和容量限的高频效联合网络信道编码理论及设计方法。此外，课题组还将关注信源编码/信道编码/调制解调的解耦合问题及其联合编码问题。对此解耦合问题的解决，将有助于获得系统整体能效和频效的提高。高速移动环境下的自适应调制编码技术在高速移动环境下，针对多普勒频移和频展较大、信道快速变化场景，研究对应的高频谱效率的调制与编码方法，以及信道自适应编码调制、解调技术，对编码和调制方式进行联合优化等。我们拟采用Rateless FEC码与Gallager映射相结合的方法，一方面研究采用Rateless FEC码的高效编码调制技术,使得谱效率能够以很小的颗粒度进行灵活变化，同时编译码简单，处理能耗低；另一方面采用Gallager映射实现星座成形，同时获得编码增益与成形增益，达到逼近容量限的通信。因为现有的Rateless码的实现方法（包括LT码和Raptor码）主要是针对BEC信道设计的，在本项目中我们拟基于代数码与LDPC码结构提出一种适合于AWGN与衰落信道的无码率FEC编码方法。在此基础上，针对高移动性设计和优化Rateless码的编译码器结构；研究Rateless编码调制与MIMO相结合的系统设计，研究既可提高频带利用率，又能降低系统复杂度和处理能耗的适合于高速移动无线信道特性的编码调制算法。另外，在理论上对编码调制系统进行性能分析也是一项很有意义的工作。对基于Turbo与LDPC码的编码调制系统性能的研究目前在国际上非常活跃，但对实用的有限长编码调制系统的性能分析还没有精确的方法。本项目拟对此问题进行探索。我们拟基于Gallager随机编码指数，采用动态规划方法研究随机编码调制方案集合（ensemble）的性能与给定某种具体码结构的编码调制方案的性能界。4.2.4移动网络智能中继与自适应协作通信理论 如前所述，通过移动中继（Mobile Relay）和分组接力（Packet Relaying），可以充分利用移动性来实现对无线网络容量的增强。这种增强依赖于移动节点对分组的协作中继方式。同时移动性本身也对中继网络的中继方式和协作分集性能带来新的挑战，即中继最终提升网络覆盖和容量的性能也受限于节点移动性等诸多因素。因此，本课题将从移动性与协作中继系统相互作用机理出发展开上述研究。具体的技术途径包括：移动性增强无线网络容量的机理尽管M. Grossglauser和D. Tse证明可利用移动性来显著增强网络容量，但这种增强是基于移动性引起网络拓扑的动态改变，使源目的传输对之间的信道时变，由此通过连续的分组中继，就可以利用这种时变信道的分集效果使得网络容量得以提升。然而，他们并未具体分析移动中继节点的各种可能的转发机制对网络容量的直接影响，没有考虑移动性对于中继转发合并过程所带来的综合影响，也没有获得网络容量与移动性尺度（Mobility Scale）以及延迟尺度（Time Delay Scale）三者之间的折中关系。只有分析设计最优的转发机制，并综合考虑各种影响，才能全面揭示移动性增强无线网络容量的机理。因此，本课题拟逐一研究中继节点的现有各种转发机制例如存储转发、译码/编码、压缩转发等对移动网络容量和延迟性能的影响；拟综合考虑分组转发和接收合并过程中对边信息的要求以及信道衰落所带来的影响，借鉴中继信道、干扰网络以及反馈信道中的Markov分组编码、消息分割（Message Splitting）和反向译码（Backward Decoding）的思想来设计有可能逼近最佳的分组转发和接收策略；拟研究和分析移动性对信号自由度（Degree of Freedom）以及网络分集（Network Diversity）的作用和影响，以进一步揭示移动性增强无线网络容量的机理。移动中继及其协作分集理论移动中继是指具有移动性的中继节点。移动中继相对于固定中继具有特定的延迟分集、多普勒分集和空间分集效果。移动中继系统中的多普勒效应会加剧信道时变，但同时也带来信号自由度的增加，对中继协作转发的信号设计、信号合并、信号检测方式带来很大影响，为分集合并提供新的可能。为实现对高速移动用户的有效覆盖，将结合超高速移动环境特点，分析移动性以及移动信道估计误差和信号同步误差对信号传输的影响，充分考虑高移动环境下通信连接切换频繁等特性，研究和设计合理的中继转发方式（如放大转发或解码转发等）和中继选择策略，实现接收信号的延迟分集、多普勒分集和空间分集，进一步结合资源优化分配（功率、带宽等）策略，优化系统分集增益，为适用于高速移动条件下的中继系统设计提供依据。认知中继及其机会式传输理论认知中继是指具有环境认知能力的智能中继。针对快速多变的复杂无线移动通信环境，充分发挥中继在用户协作、频谱感知、频谱协调/干扰协调方面所具有的潜力，利用所感知的频谱活动信息以及当前信道状态、网络状态和业务状态的变化，甚至网络节点能量分布的状态进行适当的主动中继转发和机会式的多用户资源调度，以实现频率分集、用户分集和网络分集。考虑认知代价和传输效能的折中，分析在认知信息不完全情况下的中继转发策略。支持群移动性的智能协作通信理论群移动性是车辆网络和蜂窝移动通信系统某些特定场景的显著特征。群移动性对无线网络的中继协作体制和机制具有重要影响。在具有群移动性的无线网络中，节点可以通过结盟博弈（Coalitional Gaming）的方式协同获取通信资源，并通过特定的成簇（Clustering）算法完成动态中继的选择或者与固定中继的关联。中继可通过随机博弈的方式完成联盟内或簇内节点信息的机会式转发。将针对具有群移动的无线网络研究结合广播和多接入机制的中继群转发策略，在此基础上研究和分析群移动无线网络中中继的有效分集性能。4.2.5无线通信网络中的干扰分离机理与干扰避让方法如果能够在设备之间实现有效协作进行信道状态与发送信息的交换，就可以利用干扰结构，采用预编码、干扰对齐等技术，在发射端、接收端（或同时）对信号与干扰进行联合处理，实现干扰协调与利用逼近容量限并获得更大自由度。然而，在很多网络场景下，受到能够承受的设备复杂度与信令开销、异构网络间的不兼容性与不开放性、设备间同步误差与信道估计误差、快变信道条件下发射端无法获取准确信道状态信息等现实条件的约束，干扰的协调处理与利用有可能带来能效降低、时延增大、复杂度急剧增加、稳定可靠性下降等问题。本课题拟针对快速多变复杂环境下低复杂度、高能效、稳定可靠的干扰分离与干扰避免技术展开研究，包括基于自由度划分的多址接入技术、基于频谱认知的机会式通信以及各种接收端的混叠信号分离技术等。具体的技术路径包括：混叠信号可分离机理无线多用户信号的接收解调本质上是混叠信号的分离问题，构造可分离的信号结构并设计与之对应的分离方法是实现无线网络多用户通信的关键。首先研究信号在不同自由度上的叠加特性、信号空间结构、分布特征对可分离性的作用和影响，在此基础上，采用匹配相关检测或Lasso/Pursuit/Matching Pursuit/BP等迭代检测、方法实现基于确知特征的信号分离或基于统计特征的盲分离。通过评估信号的可分离性，获取信号的相容性从而进一步获得系统容量的有关估计，并据此设计高效可靠的干扰分离与干扰避免方法。基于正交多址的干扰避让理论与方法对于能够通过协议栈或中心控制器进行统一调度的通信网络，例如蜂窝系统中的小区内用户通信，将采用正交多址的方式实现多址与复用。正交多址是通过保证信号在空、时、频、码四个域中单个或多个域上的正交性来实现接收端的低复杂度可靠检测，在能耗、复杂度、延时与可靠性方面具有天然优势。将从业务需求、信道条件、网络结构、吞吐量与公平性优化等多个角度出发，优化分配多用户信号在时域、频域以及空域内的自由度，保证信号正交。以自由度正交分配为基础，对多址接入方案、编码调制方案、信号空间结构、多用户功率与速率调度算法的综合设计展开研究，最大程度地实现多用户干扰避免，以降低设备复杂度和能耗，提供低时延、高可靠性通信。将我们提出的时域广义正交概念扩展到频域上，分析高速运动带来的频域正交性损失因子并设计频域广义正交方法以对抗频偏。基于混叠多址的干扰分离理论与方法对于难以实现设备间的统一同步与调度，且发送信息与信道状态信息交换需要大量信令开销的无线通信网络，可以采用混叠多址接入技术，即多用户之间不进行空、时、频、码等域上的正交划分，信号在空间传输时相互混叠，在接收端进行单用户或者多用户检测。将研究发射端未知状态信息时优化接收信号空间的多址与信道联合编码方法，基于信号相关特性等统计特征的干扰盲分离方法，针对无速率编码与交织的迭代译码干扰分离方法等，实现多用户信号在时域、频域以及空域上自由度的最大复用，最大程度提升系统容量。对于高速运动场景，研究基于不完整信道状态信息的干扰分离方法，以提供稳定可靠高效的通信链路。基于认知的网间干扰避让理论与方法由于异构网的不兼容性和不开放性，网间干扰既不能通过正交多址的方式进行避让，也很难利用接收端的处理进行分离。研究基于认知无线电的网间干扰避让，通过对频谱进行感知并进行频谱决策，实