面向5G的物联网用户频谱接入机制研究

Nowadays, dealing with the spectrum access of IoT user with tremendous devices and data is a pressing issue. The challenging technology lies in that, how to configure the multi-network access ability of IoT users and design the efficient spectrum access mechanism and strategies, in order to improve the efficiency of data transmission. In this project, the main contributions are listed as follows: 1) We formulate the IoT network architecture, user preference, available spectrum resource, etc to form an economic model. Further, we improve the designed model by practical experiment, in order to derive the optimal spectrum access mechanism for IoT users; 2) To solve the opportunistic spectrum access of IoT users, we focus on the existence of NE and distributive algorithms to reach NE with different user types by using the non-cooperative game theory. 3) To solve the dynamic spectrum access of IoT users, we study on the stable operator selection strategy of IoT users and the designation of operator contract over spectrum leasing. The main results of this project will provide theoretical frameworks and design solutions for tremendous IoT users in actual envoriment.

应对5G网络时代设备数量与数据量迅猛增长的物联网用户频谱接入需要是亟待解决的重要问题。其技术难点在于，如何配置用户的多网络接入技术并设计高效的频谱接入机制与策略，以提升数据传输与频谱利用效率。针对上述技术难点，本项目拟开展如下创新性研究工作：1) 考虑到物联网网络的用户特征、可用频谱资源、层次结构等差别，建立基于经济学的频谱接入研究模型，并通过实际场景验证进一步完善模型设置，设计符合实际需求的频谱接入机制。2) 针对利用开放频谱资源传输的情形，利用非合作博弈与优化理论，研究同一区域内存在不同类型物联网用户情形下的均衡策略存在性并设计高效的分布式频谱接入机制。3) 针对利用多个运营商频谱资源传输的情形，利用关系型契约理论，研究混合类型数据传输需求的物联网用户运营商选择稳定策略以及运营商最优频谱契约设计。预期成果将为物联网在实际环境中大规模应用的频谱接入方案提供理论支持与技术参考。

本项目针对5G时代大量布设且类型特征多样化的物联网用户频谱接入问题展开研究，主要研究内容及创新点包括：(1)构建了物联网用户频谱接入模型，并实现了对不同类型物联网用户数据特性以及频谱接入需求描述。还针对部署特点增加了设备能量受限特性并引入了用户设备能量状态维度，得出了物联网用户单接入点情形下的数据发送策略与多接入点情形下的接入点选择策略，有效提高了物联网用户的频谱接入效能；(2)进一步将物联网用户的频谱接入与数据处理相结合，首次考虑了物联网用户利用边缘计算服务器实现数据处理时的安全性问题并引入了用户设备数据安全维度，研究物联网用户依托边缘服务器实现数据处理时直接传输与中继传输的机制与策略，通过仿真验证了计算任务分配策略的有效性，并利用中继策略使得平均能耗相比直接传输下降了54.9%；(3)依托校园网开发了物联网数据终端及应用系统，用于采集室内环境状态数据，通过数据类别、采样间隔等设置模拟多样化、多层次物联网用户场景。用户设备利用成本低、适应性强的微控制器开发板，边缘服务器构建于配置灵活、成本低的微处理器开发板，便于大规模布设，且所采集的大量数据可用于对室内环境和人员活动的精准分析。