认知无线网络协同分布式动态频谱接入研究

This project aims at maximize the usage of limited spectrum resources of Cognitive Radio Network. First, since the cooperation of nodes are inseparable with network circumstance, and we can not suppose each node can cooperate with each other voluntarily, we introduce Game theory behavior analysis and cooperation incentive to Non-cooperation nodes, which is the basic request for the cooperation of nodes. Base on this incentive mechanism, it promotes the cognitive nodes to share spectrum information (including the information about perception of the channel and the channel quality) under imperfect network circumstance, which provides relevant parameters to help cognitive nodes to join the best channel, and then achieve QoS-guaranteed. Meanwhile, we propose an adaptive collaborative access control strategy so as to make the SU maximize the usage of spectrum. Finally, we set a testbed to verify the validity of our proposals.

本课题研究最大化地利用认知无线网络有限的频谱资源。首先，考虑到节点之间的协同与网络环境密不可分，不能够直接假设各个节点"自愿"的协同合作，所以引入非合作节点之间的博弈行为分析与合作激励机制，该激励机制是保证节点协同合作的基础。以激励机制为基石，针对认知无线网络的频谱分散的特点, 推动认知节点合作分布式的在非完美网络环境下进行频谱信息（这些数据包括感知信道与信道质量的信息）共享，为认知节点接入最佳信道提供相关参数，实现QoS保证；同时，为了保证在主用户不被干扰的前提下，最大化的挖掘机会频谱给次用户，提出自适应的合作性接入控制策略。最后，通过设计认知协同的自适应硬件平台与演示验证系统，实现上述研究内容中的异构频谱接入和联合感知优化等重要功能演示，验证研究成果的真实性和有效性。

本项目的主要研究可以分成两部分，一是无线频谱特性检测优化技术；二是无线传感器MAC和路由优化技术。本项目共发表论文27篇，SCI收录3篇，EI收录24篇；其中第一作者9篇，通信作者3篇。会议包括INFOCOM poster（A类）、ICC、WCNC、ICCCN（C类）等。获得授权专利3项。.本项目着重以无线传感器网络和认知无线电网络为研究背景，用博弈论、网络编码等智能算法，解决网络频谱接入及路由等有效支持和高效调度问题。具体包括研究异构无线网络的融合技术，设计统一的评价效应函数，并在此基础上利用跨层技术，将信道和路由、链路和节点质量判据结合，提高网络传输性能。.我们集中在如下的贡献：.随着无线设备的日益增多，频谱资源变得越来越稀缺，如何尽最大的效率利用频谱也成为研究人员越来越关注的问题。我们从频谱的迁移性出发，提出了一种基于博弈论的信道切换模型，模型使用优先级处理方法满足用户对频谱的多样化需求，例如带宽、延迟、抖动。纳什均衡建立后，模型会通过给不同用户设置不同优先级提供不同的QoS。此外，我们提出两种方法来加速模型的收敛速度，使之能更快达到纳什均衡。实验结果表明模型可以提供不同的服务且算法确保了在多项式时间内达到一个近似的纳什均衡。.另外，频谱感知很容易受到信号衰弱以及多径的影响。相比于单用户的频谱感知，多用户的频谱感知能够提供相对更准确的信道状态。很多技术能保障链路的高传输率和高可靠性，我们在原始的合作感知模型的基础上，提出了自己的基于差异的多天线合作感知模型，以此获得更准确的信道质量信息。和其他模型相比，多天线合作感知模型对无线信道的感知准确率更高，而且模型收敛更快，即在更短的时间能够获得更准确的信道当前使用情况信息。所以对于同一段带宽，我们的模型能够在总体上提升其他无线设备的传输性能，而且也能大幅提高整个带宽的利用率。.考虑到无线传感器网络中，由于簇头能量消耗大于其他节点，而产生能量空洞的问题，提出了一种能量敏感的k-连接重叠集群路由算法——k-OCHE。在我们的k-OUCH中，整个网络中的节点的能量消耗基本处于相同的状态，节点间可用能量差异较小，这样就有效地防止了能量空洞的产生，不会使整个网络因为几个节点的能量枯竭而瘫痪。从而使得整个无线传感器网络有了更长的生命周期。