973项目标书 高移动性宽带无线通信网络重点理论基.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