为解决第4代移动通信(4G)大容量高可靠核心技术,本文首次提取ad hoc网络的多用户分集方法及其协作本质,系统地研究了协作能够低成本地提高容量和可靠性并支持可扩展;将该理论创新从4G设计之初就在资源分配、拓扑控制、路由重构、环境感知、多层优化、业务提供等全方位融入蜂窝,提出了一种集成ad hoc与基础设施网络(IAIN)的新体制;指明4G不仅应在单链路上改进,更可依据2000年以来的发现(单位面积随机拓扑无线网络吞吐量容量随节点数增长等),在网络容量上实现飞跃。基于IAIN,面对干扰等限容因素挑战,依据网络信息论,提出下列扩容方案。利用基础设施:部署随机分布的基站,揭示了容量规律,并提高频谱效率和功率效率;利用节点移动:发掘移动等效链路吞吐量,付出时延代价来提高频谱效率和功率效率。给出了时延约束下的容量,并制定IAIN Diffserv的最优折中,为实时高吞吐量业务降至最低连通度以节省网络划分开销;利用干扰消除:增加算法复杂度,提高频谱效率和功率效率。给出了相干多级自适应方案,并探讨在瑞利衰落、非理想功控及定时误差下的容量扰动;利用定向天线:增加空间复用,提高频谱效率和功率效率。由其扩容效果,给出了对上述方案的改进;利用超宽带网:加宽频带,虽降低传统意义的频谱效率,但提高功率效率。采用衰落时任意维渗透模型,提出了功率受限的容量,表明城区多径衰落下UWB对IAIN扩容更显著;利用多路接口:支持同时传输,提高频谱效率和功率效率,付出多路转换开销。研究了网口数和通道数下的容量,由此提高了扩容的成本效率。由这6个层面的一整套新型实用体系,提出IAIN分布式节点对稀缺无线资源既独立自主竞争又共赢共享合作,形成资源配置效率更高的动态竞合的均衡。针对可靠拓扑及其可扩展,提出IAIN基于群组移动和随机几何的实时竞合拓扑控制,维持依概率拓展覆盖所需的最小k度连通主干集,并采取IAIN按需感知的自重构路由管理和在多协议集之间的协商。进一步将不可靠的通信链路抽象为定时异步网络模型,并考虑节点崩溃和Byzantine失效两类故障模型,提出IAIN大规模拓扑变化中的动态竞合容错机制,形成新型可靠移动信息环境。针对可靠低功耗多层优化,提出IAIN将待机和通话都细分为多个子状态来转换的机制和动态竞合节能管理的策略。在MAC层,最小化由随机访问造成的冲突,并考虑预约机制本身的能耗,设计整体可靠低功耗的竞合协议;在LLC层,基于节点和连接的可靠节能而采取链路切换策略;在网络层,选择最小最大(min-max)全网加权传输能量路由,并降低节点的处理负荷和协议开销。既已解决核心技术,应用IAIN构建起可编程的无线网格平台,低成本大规模部署实现容量、频谱效率、可靠度和功率效率随用户密度的可持续扩展,为4G开创了可代表新方向的解决方案。