面向时延敏感应用的认知无线网络服务模型及算法研究

Cognitive radio provides an important solution for the bandwidth bottleneck issue of tactical wireless networks,but at the meantime,creates extra delay overhead that causes severe impacts on the two types of low rate delay sensitive key applications of tactical wireless networks:position report,command and control message.Therefore, how to enhance the support ability for delay sensitive application is a key factor of the successful application of cognitive radio in tactical wireless networks. Up to now, cognitive radio is widely applied to the research of increasing available spectrum bandwidth and network throughput,but the issue of the related delays impacting on delay sensitive application still has not been paid attention to. This project uses the cognitive radio based tactical wireless networks as the research object,and carries out the systematical research of service model and algorithm of cognitive wireless networks for delay sensitive application from three levels:spectrum allocation,wireless access network,network path. The research contents include three parts: the joint delay optimization model and algorithm of clustering and spectrum allocation,the admission control and transmission scheduling within a cluster, the cross layer optimization model and algorithm of spectrum-aware routing and rate control.This project has definite application background, and the research results can provide theoretical foundations for building the coginitve radio based broadband tactical wireless networks.

认知无线电为解决战术无线互联网带宽瓶颈问题提供了一种重要解决方案，但同时也带来了较大的额外时延开销，这对战术无线互联网承载的位置报告和指控命令两类低速率时延敏感关键应用会造成严重影响。因此，如何增强网络的时延敏感应用保障能力成为了认知无线电能否成功应用其中的关键。到目前为止，认知无线电被广泛应用于提升可用频谱带宽和网络吞吐量的研究，而相关时延开销对时延敏感应用的影响问题还未得到关注。本项目以基于认知无线电的战术无线互联网为研究对象，从频谱分配、无线接入网络、网络路径三个层面对面向时延敏感应用的认知无线网络服务模型及算法进行系统性研究，内容包括：节点分簇与频谱分配的联合时延优化、簇内节点准入控制和传输调度优化模型及算法、频谱感知路由与速率控制跨层优化模型及算法。项目具有明确的应用背景，研究成果可为构建基于认知无线电的宽带战术无线互联网提供理论基础。

认知无线电概念自提出以来，得到了学术界、工业界以及军队的广泛关注，经过多年的发展，认知无线电的理论及软硬件技术日趋成熟，相关技术标准也已制定，为其走向实际应用奠定了坚实基础。认知无线电和新型战术无线电台均采用软件无线电作为底层的核心支撑平台，这为两者的有机结合提供了非常有利的基础条件。尽管认知无线电能够有效增加可用频谱资源和提升无线网络带宽，但其同时也带来了较大的额外时延开销，如频谱切换造成的频谱接入时延、网络和路由重构时延等。基于此，本项目围绕增强战术无线网络时延敏感应用保障能力需要解决的关键问题展开研究，根据项目研究计划，从频谱分配、接入控制以及网络路径三个层面进行了研究。在频谱分配方面，针对战术无线网络高度机动性的特点，提出了一种新的分布式频谱分配算法，并拓展研究了移动自组织网络节点的随机移动优化模型， 构建了一种新型三维节点半随机移动模型，提出了一种新的边界处理方法，研究了速率和信道频谱的联合优化问题，提出了一种基于非静态Multi-Armed Bandit学习方法的联合自适应算法；在接入控制方面，研究了接入层控制信道优化选择问题，提出了一种基于贪心迭代的控制信道优化选择算法，最小化控制信道集所占用的频谱带宽，减少了控制协议开销；在网络路径方面，研究移动自组织网络的多径路由时延问题，提出了一种基于加权最短时延的报文调度算法，其能够从网络层面有效提升网络的时延性能。本项目的相关研究成果已发表在国内外高水平学术期刊和会议上，其中国际SCI期刊论文4篇、国际会议论文2篇、国内一级学报3篇和中文核心期刊论文1篇。项目的研究成果已为部队的相关十三五预研项目提供了理论和实验基础，并为后续的深入研究和实用化提供了探索性的指导意见。