认知无线电自组织网络中基于协作的汇合和传输技术研究

Dynamic spectrum management has been proposed recently as a promising approach to address the spectrum scarcity issue. Cognitive radio is deemed as the key enabling technology for dynamic spectrum management. Cognitive radio ad hoc network is one of the most important applications for cognitive radio. However, the heterogeneity of spectrum resource in cognitive radio ad hoc networks raises many research problems during the processes of network setup and data transmission. In this project, we will conduct deep research on the key issues of the network setup and data transmission in cognitive radio ad hoc networks. The main idea proposed in this project is to leverage the cooperation among neighboring secondary nodes to boost the overall system performance. Firstly, we will study the multi-channel rendezvous problem during the network setup. Different from the existing works which focus on the rendezvous between any two nodes, we for the first time propose cooperation based approaches to accelerate the rendezvous process. We will design and analyze cooperation based rendezvous protocols under both passive mode and active mode. Next, we will study cooperation based data transmission for multiple secondary transmission pairs to address the spectrum heterogeneity issue. Different from the existing works with simple network models, we consider various types of cooperation in cognitive radio ad hoc networks. We will design relay selection and resource allocation approaches to increase the throughput of secondary networks. Besides, in this project, we will not only investigate the theoretical problems, but also utilize a software radio test-bed to implement and evaluate the proposed schemes, which makes the research more convincing and practical.

动态频谱管理是当前解决无线频谱资源稀缺问题的一大方向，而认知无线电技术是动态频谱管理的关键技术。认知无线电自组织网络是认知无线电技术的重要应用方向之一，但是频谱资源的异构性对其组网和传输过程提出了诸多问题。本项目将对认知无线电自组织网络的组网和传输过程中的关键问题进行深入研究，提出一套基于协作的方法优化系统性能。首先,研究组网过程中的多信道汇合问题，不同于当前的研究局限于任意两个节点的汇合问题，首次提出利用邻居节点协作来加快汇合速度,在被动和主动两种模式下设计和分析基于协作的汇合协议。然后, 在数据传输过程中研究多个次用户传输对通过协作传输来应对频谱的空间异构性，不同于现有基于简单网络模型的研究，考虑自组织网络中多样的协作方式，设计中继选择和资源分配方法，提高次用户网络的吞吐量。本项目不仅从理论角度进行研究，还将使用软件无线电平台对提出的相关协议进行验证，提高了可信性和实用性。

动态频谱管理是当前解决无线频谱资源稀缺问题的一大方向，而认知无线电技术是动态频谱管理的关键技术。认知无线电自组织网络是认知无线电技术的重要应用方向之一，但是频谱资源的异构性对其组网和传输过程提出了诸多问题。本项目将对认知无线电自组织网络的组网和传输过程中的关键问题进行深入研究，提出一套基于协作的方法优化系统性能。首先，研究了组网过程中的多信道汇合问题，不同于当前的研究局限于任意两个节点的汇合问题，首次提出了利用邻居节点协作来加快汇合速度，在被动和主动两种模式下设计和分析基于协作的汇合协议。对于被动模式，设计了一个面向被动汇合协议的通用消息传递框架，可以有效利用现有的多种序列生成算法。发现了一个从单一用户角度出发的汇合问题，证明了它是NP完全问题，并提出了一个有效的贪婪算法进行解决。基于这一框架，提出了多个新的汇合算法。这些新的算法可以保持节点之间的汇合属性。对于主动模式，采用了频谱数据库的系统模型和管理方式作为背景。设计了基于协作的带内引导的主动组网协议，节点的信道分配采用了跳频方法，通过相邻节点跳频过程中的首次连接建立了树形的拓扑结构，从而完成路由。提出了一种部分频谱信息查询协议，通过利用路由节点的分布式的频谱信息缓冲能力，减少重复的消息传递。还提出了一种预取协议让某一节点可以请求更多其他的节点将来可能需要的。实验数据表明提出的汇合算法大大加快了汇合速度，缩短了组网时间。然后, 在数据传输过程中研究了多个次用户传输对通过协作传输来应对频谱的空间异构性，使用了多种协作技术方案，包括采用一致性方法和线性网络编码等方法。同时， 跳出了传统的追求网络连通性完全恢复的惯用思维，提出了最大程度恢复网络连通性的新问题，切合实际应用需求。本项目不仅从理论角度进行研究，还将使用基于USRP和GNU Radio的软件无线电平台，并结合TelosB无线传感器设备对提出的相关协议进行验证，提高了可信性和实用性，并申请了汇合协议和频谱信息数据库等多项软件著作权。