博士开题报告(认知无线电动态频谱接入及频谱共享技术研究）.doc

学科代码081002编 号南 京 大 学博 士 研 究 生 学 位 论 文开 题 报 告学 号：_ _姓 名：_ _ _ _导 师：_ _研究方向：_无线通信与网络信号处理_拟定题目：认知无线电动态频谱接入及频谱共享技术研究学 科：_ 信号与信息处理_入学时间：_ 2004年9月_开题时间：_ 2006年11月_ _ 2006 年 11 月 20 日填 报 说 明一、 开题报告中的一至七项必须采用计算机输入和打印，开题报告格式可在南京邮电学院网址中的研究生部主页下载。二、 开题报告为A4大小，于左侧装订成册。各栏空格不够时，请自行加页。三、 在开题报告表格后，需另附开题综述报告。四、 开题报告通过后，分别由博士研究生、导师、学科和研究生部各存档一份。学位论文题目认知无线电动态频谱接入及频谱共享技术研究课 题 来 源教育部重点科技项目“基于信号处理和人工智能的认知无线电关键技术研究”资助江苏省高校自然科学重大基础项目“基于环境感知的异构无线Mesh网络体系结构及关键技术研究”资助，江苏省自然科学基金重点项目“具有认知和协作功能的下一代无线网络关键技术研究”资助一、课题意义及国内外研究现状综述无线通信领域中不同网络、不同业务和不同接入方式的不断增长，使得频谱资源越来越紧缺。不同用户对同一频谱资源的共享有三种模式：（1）竞争使用（2）协作使用（3）基于认知的使用。竞争使用模式在信息理论中已经得到充分研究，协作使用尚研究不多，而基于认知的使用刚刚开始。近年来出现的认知无线电技术CR（Cognitive Radio），可以使得未注册用户通过协商或随机的方式共享频谱，从而更有效地利用网络资源。基于CR的系统还能感知通信环境，并使用人工智能方法来从环境中学习，通过实时改变通信系统中特定的操作参数，来调整系统内部状态，适应输入激励和信道特性的变化，以使得网络和系统性能达到最优化。“认知无线电”就是在这种背景下产生的新一代概念通信，CR技术可以广泛应用于当今和未来的移动通信网、WLAN/ WMAN/WRAN（无线局域、城域和区域网）、各种特定用途的ad hoc自组织网络中，改善通信系统性能，并将在未来形成巨大的产业群体。认知无线电技术（Cognitive Radio），也称为感知无线电，被认为是一种提高无线电电磁频谱的新方法，同时也是一种智能的无线通信系统,它建立在SDR基础上，能认知周围环境,并使用已建立的理解方法从外部环境学习并且通过对特定的系统参数(如功率、载波和调制方案等)实时改变而调整它的内部状态适应系统环境的变化。1999年由瑞典皇家理工学院的Joseph Mitola首先提出CR的概念，随后他在2000年的博士论文“Cognitive Radio,An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio”中提出了一种CR的体系架构和CR的循环认知模型，并在论文最后提出了一种简单的CR原型系统的设计实现，着重于计算机的仿真和建模。2004年，弗杰尼亚理工学院的Christian James Rieser发表的博士论文“Biologically Inspired Cognitive Radio Engine Model Utilizing Distributed Genetic Algorithms for Secure and Robust Wireless Communication and Networking”, 其中提出了一种基于遗传算法实现的CR模型，其中利用了基于遗传算法的人工智能模型也只是在计算机上仿真得到相关的性能提高。2004年10月在美国华盛顿召开的Cognitive Radio会议通过在需求，初始化，机会和挑战等方面对CR展开讨论。一些著名的大学研究机构如UC Berkley、steve、Rutgers、Georgia 、TU Berlin等等和世界各大公司如Intel、Lucent、Nokia、Qualcomm等也分分展开对CR的研究和应用。2002年6月，为推动相关技术的开发利用，实现频谱的动态分配，美国联邦通信委员会（FCC）成立了“频谱政策任务组”（SPTF），随后该组织在其制定的“智能无线电”工作方针中宣布采用CR技术。同样在2002年，美国国防部DARPA组织启动了XG（Next Generation Communication）,该项目以CR技术为核心，采用软件无线电技术来实现最大限度的利用时域、频域、空间域等信息，动态适应频谱分配和使用，为美军海外军事行动提供强有力的支持。2003年11月， FCC允许具备认知无线电功能的无线终端可以使用授权给其它用户的频段。在2004年10月，IEEE802委员会正式成立基于认知无线电技术的无线区域网（WRAN）标准工作组，即802.22标准工作组。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia等公司也已经开始着手进行认知无线电系统技术的研究。认知无线电首先的目的在于提高频谱利用率，这不仅是个技术问题，由于要从根本上改变过去的无线电资源分配状态，因此要想实现它，除技术开发之外，还必须有政府法规上的支持。美国在2004年5月颁布NPRM（Notice of Proposed Rule Making），允许在不影响授权用户（如电视接收者）的前提下，通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中的未授权的无线资源，为实现认知无线电的实用化放宽了相关的限制。日本也已宣布将于2005年度开始探讨该技术。 欧洲目前德国、英国、意大利、瑞典都有相关机构在研究。到目前为止，认知无线电有多种不同的定义和概念模型以及不同的体系架构，并且对于频谱共享和频谱接入以及跨层问题不同的高校和研究机构都有深入的研究，主要体现在近两年国际上还召开了几个重要的有关认知无线电技术和动态信道分配的会议所发表的论文中。它们分别是2004年10月份在Washington, D.C.召开的Cognitive Radios CONFERENCE，该会议的主要议题包括：紧急的商业和军事需求和机会，对于认知无线电的频谱政策-军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知无线电，用于自适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发-智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技术。另一个是2005年11月份召开的DySPAN（Dynamic Spectrum Access）会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表了80多篇文章。另外IEEE首届面向无线网络和通信技术的国际认知无线电技术大会CrownCom2006于2006年6月8日到10日在希腊召开，相关的论文和研究成果将会出版发行。我国最近两年开始关注这个领域的动态，国家863计划去年也开始立项支持这个方面的研究（认知无线电技术研究，项目编号2005AA123910，资金200万）。二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题1.研究目标： 本课题以无线频谱资源的使用现状为背景，研究认知无线电的频谱共享问题，以达到提高无线频谱利用率并增加通信系统的容量和质量为目的，着重研究频谱感知、动态频谱接入和跨层优化问题，并在此基础上搭建无线通信环境中的认知无线电CR (Cognitive Radio)通信仿真平台，对提出的技术方案进行实验验证和网络性能分析。2.研究内容：当前，一方面日益增长的无线业务对无线频谱资源的需求不断增长，导致可用频谱资源日益紧缺；另一方面，大量授权无线频谱却被闲置或者利用率极低。动态频谱接入技术被提出以解决当前频谱利用率不高的问题。动态频谱接入技术可以通过随机接入而不干扰主用户的方式提高现存的频谱利用率，并提高无线通信网络的容量和质量。而认知无线电则被认为是解决上述无线频谱低利用率实现动态频谱接入技术的最佳方案。CR技术可以感知外部通信环境，并使用自身已建立的理解方法来从环境中学习，通过实时改变系统或者终端特定的操作参数，来调整通信系统内部状态适应输入激励和信道特性的变化，以使得网络性能达到最优化。CR技术因此可以广泛应用于当今的移动通信网、WLAN、WMAN和WRAN（无线区域网）、特定用途的ad hoc自组网络及未来3G和B3G无线通信网络中，大大改善通信性能。 本课题着重研究无线频谱环境的感知以及基于感知的频谱共享和跨层优化问题。包括如下三个方面：l 基于信号处理的实时、宽带、低功耗的协作频谱环境感知：主要研究基于协作的频谱环境的感知、感知信息的特征化等认知功能。频谱环境的感知，通过先进的信号处理技术得到并分析无线频谱环境下的信号统计特性，获取频谱使用状况。感知参数的估计，提取特征化数据并建模，进而进行无线频谱环境模型的参数估计。感知信息的融合，通过网络节点的相互协作，对感知信息进行特征化分析，用来选择最合适的信道、实现共享频谱接入。l 认知无线电频谱的动态接入和频谱共享：通过前面的感知信息分析，实现频谱环境特征化，从而进行频谱分配决策即动态频谱接入等。从信道分配、自适应调制和编码、干扰避免等不同的角度阐述频谱共享：通过CR网络用户之间协作与非协作及有中心和无中心等方式来实现动态频谱接入，并利用人工智能、最优化、博弈论和信息论等来实现资源的公平有效分配，最终达到频谱共享；根据长期统计的频谱图和实时测量相结合建立基于感知的频谱接入模型并设计新的机会频谱接入调度算法来分析CR网络性能。l 基于感知的认知无线电系统跨层优化模型研究：通过结合感知与上层交互，可以实现基于感知的新的体系架构和新的通信协议，设计一个跨层的CR网络，从而提高整个网络的性能，优化频谱共享，优化路由和传输。其中重点是基于感知的跨层频谱共享（MAC与物理层结合的信道接入）和跨层路由（多跳网络中基于物理层感知的路由技术），他们的性能直接依赖于CR物理层的频谱感知能力。3.拟解决的关键问题：l 关键技术难点之一：如何实现频谱环境的感知功能。无线频谱环境分布模型的研究、节点间的协作感知技术的研究是频谱感知部分的重点。其中本课题着重采用以下技术：从主用户接收机检测角度，考虑通过将特征谱估计和神经网络或支持向量机等结合实现频谱感知；另外考虑通过节点间的协作提高检测率和鲁棒性。l 关键技术难点之二：如何进行感知数据的特征化分析。频谱洞随时间、空间显示不同的特征。频谱分析特征化不同的频谱洞。其中本课题拟采用以下技术：不仅考虑时变的频谱环境而且考虑主用户的活动性和频段信息如操作频率和波段，通过对信道容量、干扰级、信道差错率、路径损失、链路延迟和保持时间等代表了频段的特定质量的参数进行估计和分析，实现信息的融合并特征化频段信息，获得最好的频段来通信，并建立预测模型为后面的网络决策打下基础。l 关键技术难点之三：如何实现基于感知的频谱共享和动态频谱接入。认知无线电最重要的挑战就是如何共享频谱而不干扰主用户的传输。其中本课题拟采用以下技术：通过跨层方式从信道分配、自适应调制与编码、干扰避免等不同的角度利用最优化和博弈论以及信息论等理论手段建立适当的共享和接入模型，通过有效的调度和接入算法，最终实现频谱共享。三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析1.研究方法根据本课题技术新、难度高、综合性强等特点，拟采取“三个策略、一个方法”研究实验方法： 国际交流研究策略：充分利用申请者与美国、加拿大、德国、澳大利亚等外国专家和华人学者的联系渠道和经常参加国际学术会议的机会，及时收集国外最新信息，特别是标准化方面进展信息（IEEE要求2007年制定基于CR的WRAN标准），加强对国际技术动态的跟踪，促进本课题研究的进展。 研发结合研究策略：本课题在多方面尤其军事和通信等场合具有明显应用前景，故必须十分重视理论研究和技术开发的密切结合，既充分发挥院校在基础理论和技术研究方面优势,又积极寻求与产业界和应用部门的合作,保证课题研究的学术水平和实用价值. 技术综合研究策略：本课题涉及多领域技术，因此必须充分借鉴计算机网络和分布式计算技术、信号处理技术、人工智能技术等方面的研究成果，使之与电信网组网技术和ad hoc网络有机结合，以构建灵活、高效、安全、可靠的新一代智能通信系统和网络体系结构和平台技术。 软硬结合实验方法：根据本课题特点,拟采取“理论先行、软硬结合、以软为主”的方针。在理论分析的基础上，利用软件无线电平台通过模拟仿真进行方案论证、性能分析和原型实验系统的实现。2.技术路线为实现动态频谱接入和频谱共享的研究需要，拟重点考虑频谱感知和频谱接入及共享。具体采取如下实现方案和技术路线：l 利用基于信号处理的频谱环境感知和信道特性分析技术来感知网络资源的当前状态，并分析特征化频谱，为网络的下一步行为提供基础 l 借助人工智能、博弈理论和约束最优化理论及信息论等手段，均衡各种异构网络的需求，比如功率、带宽分配、调度机制等l 借助跨层策略来实现网络的自适应调整源需求，比如信道分配和干扰避免等资源管理优化分配任务3.实验方案实验流程如下图所示，本课题主要集中在频谱感知和频谱共享上，通过与相关的如感知信息特征化以及认知无线电平台的建立、仿真等相结合通过与他人协作最终可通过软硬件实现CR原型系统，并对上述方面进行验证。 频谱感知感知信息特征化分析频谱接入及共享认知无线电系统的建立、仿真CR系统软硬件平台的实现图1实验流程图4.可行性和风险分析本课题主攻方向明确，实现要求适度，拟解决的关键问题具有有效的对策，通过前期的调研和准备，对认知无线电关键技术以及未来的发展已有了较深的理解，并通过文章综述的形式给出了当前认知无线电研究和发展趋势的报告，因而课题研究方向是切实可行的。本课题主攻方向是基于信号处理和人工智能、博弈论、跨层等的认知无线电频谱共享技术。通过总结前人的研究成果，结合频谱感知进行跨层优化，本人已经从自适应调制、多输入多输出（多天线）、正交频分多址接入等角度描述了协作频谱共享技术；未来的工作：从干扰避免等角度描述基于竞争优化的非协作频谱共享技术，提高频谱利用率；通过协作信号处理与模式识别结合实现频谱环境感知技术；通过建立有效的跨层模型实现基于感知的MAC与物理层结合的信道接入和多跳网络中基于物理层感知的路由技术，用于提高网络的容量和质量。通过信号处理、人工智能、博弈论、跨层等技术为实现基于感知的动态频谱接入提供了坚实的基础和有利条件。本人所在信号与信息处理研究所是一个研究实力强大的团队，具有较深