基于认知协作网络的自组织无线网络的高效资源管理方法研

1、课题名称：基于认知协作网络的自组织无线网络的商效资源管理方法研究申请人：张黔依托爪位：中山大学31、课題简介(简要说明课题的目的恿义.主要研尤内容.预期目标等.字数要求1000字以内)近年來无线网络技术取得巨大发展包括WiFi WiMax.蓝牙、超宽带、3G等等。这些技术将共存形成一 个多无线电环境來为用户的各种应用提供不同的服务能力随昔无线设备特别是多无线电/女频带设备的快 速增加.人们普遍关注随时连接到般佳通信网络的问題因而支持女无线电网络的研究是目前昴热的领域 之一。技术上面临诸女挑战：由于无线媒介的共享特性.邻近的设备将互相干扰，带來显著的系统性能下 降。为减少不同无线技术间的干扰现有

2、频带分配策略将频谱分为互不重叠且固定的频带，分别分配给不 同的无线技术或服务.这种分配方式导致了较低的无线资源利州率。与此同时.在无线网络的不同层次的 控制机制都具有复杂的相互作用.而以上这些方面都导致无线资源的管理成为一个极其棘于的问題。木课 题的研究目标是研尤女无线电无线网络独有的特性.提出认知协作网络(collaborative and cognitive networking, CCN)的概念來保证在自组织无线网络中移动设备获得最佳连接持性的同时，提髙对稀缺无 线电资源的利用效率。我国下一代无线网络技术正快速发展.木课題的提出不仅有很大的学术价值，在实 际系统的实现上也有巨大的潜在价值

3、。主要研尤内容包括三方而：(1)研尤无线终端设备的“认知与“协作”在拓效管理无线电资源上的作用。CCN技术可以提供终端设备对无线网络环境的认知能力.自适 应、协作地使用无线资源以获得最佳的性能.从而解决前而提到的问题。通过CCN技术，系统可以搭建一 个基于用户需求而无需集中管理设备的自适应、商速的自组织无线网络。考虑跨层次设汁与设备协同的凍 则.研究两种具体方案來论证在CCN中“认知”与“协作”如何提岛无线电资源管埋的效率。即以下(2)(3) 两点：(2)研尤在弱无线迫女信道多跳无线网络(Hultiradio Multi-channel Hulti-hop Wireless Network.

4、M3WN)中设计一个分布式联合信道/频谱分配策略和路由方案來提高系统性能表现。(3)研尤 在多跳网络中设计一个分布的协作的联合功率控制和速率自适应的方案來实现能源的岛效利用课題的预 期目标包括：(1)解决在认知协作网络中的“认知”与“协作”等基础问题。(2)提出在H3WN中的分布式 信道/频谱分配和路由策略。(3)提出为提尚能源效率而进行的分布式联合功率控制和速率自适应方案。课 题完成后根据以上三方面的内容編写研究报告一篇：论文15篇以上.其中核心刊物和重要国际会议7篇以 :申请专利技术6到8项。3.2. 课題主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主耍研究技术国内外专利申请和授权情况一、国内

5、外发展现状与趋势：(1) 多无线电网络和开放频谱相关研究在多无线电无线网络相关主题的研究，如认知无线电，认知网络，开放频谱 等方面引起了学术界和产业界广泛兴趣。UCB的伯克利无线通信研究中心1, Rutgers University的WinLAB2等等，他们在相关领域已开始一些有趣的项口 研究。由Motorola组织开展的端到端可重组性网络的项目研究3,忖标是使多 样性的无线电合作环境的效益最大化，这个环境包括多种系统，比如小区网络， 无线局域网，广播等。Intel致力于建设认知无线电，设备可以“机会式”的使 用无线电频谱，检测附近哪种无线网络可用，然后调整到最适合的网络使用频率4 。通过SD

6、R技术实现的开放频谱技术的U标是解决频谱不足的问题。虽然开 放频谱技术被认为是未来无线网络中很有前途的一种方法，但是H前尚处于技术 发展的初级阶段。在无线通信，网络和系统领域，涉及到固定频谱分配的环境感 知的研究，提出了对开放频谱系统新的研究议程。一些相关的国家级研究项目最近开始启动，如DRAPA（XG） 5, NSF（ProWin） 6等等。然而，以上的研究均关注单个多无线电的层次，而如何管 理分布式多跳无线网络（如mesh和sensor网络）中具有多无线电或SDR的终端， 特别是如何管理设备间的无线电/网络资源（如频带）以及如何进行邻近发现、 拓扑管理、自适应路由选择等仍没有被深入研究。（

7、2）多无线电多信道多跳无线网络的信道/频谱分配和路山选择策略由于价格低廉、易于部署以及扩大的覆盖面、容量，多跳无线网络如mesh 网络被奉为无线网络的最前沿技术之一。无线网络中的多直角信道可以减轻邻近 接入之间的相互干扰。许多移动设备支持多无线电特别是不同种类的无线电的无 线网络接口，这些设备将构建一个M3WN,为了有效减轻M3WN中的相互干扰，应 谨慎设计路由和信道/频谱分配策略。这里，路山选择从源端到U的端的通信路径，也就为每个无线电信道和链路 分配了数据流。而信道/频谱分配策略决定哪一个无线电接口该使用某一特定信 道。在相关的理论工作中，文献7中提出了一个通过反复迭代使用路由和信道 分配

8、策略的集中路山和信道分配策略的算法。对于多信道和多种同质无线电网 络，文献8的作者分析了流量的边界值并得出结论流量只取决于每个节点信道 数量与无线电数量的比值。在参考文献9和10中阐明了多信道多无线电按照 理想的多元存取控制方式的联合路山和时序编排，并分别提出了一个常量因素的 近似值和一个可用的下界。肖前的理论研究普遍假设理想的媒体访问控制（通过理想的分配达到无冲 突），并且假设一个中央控制器掌握所有的信息，这使得他们设计的近似的算法 无法应用到实际的部署中。对于分布式算法，大多数相关研究工作都把信道分配 和路由分开考虑，也有一些文章同时考虑信道分配和路山但没有把它们关联起 来。文章11提出了

9、一个基于网络中的每个节点支持多个同质无线电的假设之上 的包括信道分配策略和路山策略的组合解决方案。文章12提出了为路山和信道 分配策略设讣的一种基于网格的框架，在该框架里关键的网格有通过无线网络连 接的接入点。这个方案仅在树状拓扑结构的无线网络中才可用。(3) 多跳网络中能量效率的速率自适应在无线多跳中能源的效率是一个很关键的问题，因为我们大多数的移动设备 都是靠电池工作的。一个有效实现能量高效利用的途径就是尽可能的减少传输功 率。但是，在一个支持多速率的网络中，减少传输功率可能会导致传输速率的减 少。因此，功率控制和速率自适应需要同时考虑。在参考文献13中，提出了一 种名为基于接收端的自适应

10、速率”(Receiver-Based Auto-Rate, RBAR)的速 率自适应的多元接入控制协议，通过RBAR,速率调整曲接收方而不是发送方来 控制，并且发送请求/清除发送请求被用来探测信道状况然后根据情况调整速率。 在文献14中，提出了机会主义式的自动速率协议(Opportunistic Auto Rate, OAR), OAR的主要思想是只要信道状况良好，就机会式的发送多个连续的数据包。 然而，上述研究工作的LI标在于优化数据流的吞吐量或延迟的性能，没有涉及能 源效率问题的解决。在文献15-17中涉及到基于802. 11的无线局域网的速率自 适应的能量效率问题。在文献15中，作者提出

11、了在基于DCF的无线局域网中一 种关节点传输功率控制和速率自适应的高效使用能源的方案。在文献16-17中 考虑通过在无线局域网中联合传输能源控制(Transmit Power Control, TPC) 和速率自适应使效能最大化同时最小化能源消耗的问题。然而，多跳网络和无线 局域网最关键的区别是多跳网络会出现山于隐藏终端引起的不同节点的信道接 入不足问题，而无线局域网不会存在这个问题。因此，对WLAN适用的方法可能 对多跳网络就不适用。1 D Cabric, S $ Mishra, D Willkomm, R Brodersen, A Wolisz, Cognitive Radio Appro

12、ach for Usage of Virtual Unlicensed SpectrumM , 14th 1ST Mobile and Wireless Communications Summit, June 20052. D Raychaudhuri, Cognitive Radio as a Building Block for Adaptive, Self-Organizing Wireless Networks of the Future M , SDR Forum Workshops and General Meetings Seoul, September, 2004 3 Endt

13、oEnd Reconfigurability (E2R), http：//4. Radio free Intel, http：/wwwinte 1 com./1echno 1 og5r/1echresearch/radio5. DARPA XG Program Vision, available from http：/,www darpa nul/ato/programs/XG6. The Programmable Wireless Networking, (PROWIN), NSF Program Solicitation NSF 04540, NSF P

14、rogrammable Wireless Networking Informational Meeting, Feb 5, 2001 7. A. Raniwala, K Gopalan, T Chiueh, Centralized channel assignment and routing algorithms for multi-channel wireless mesh networks , ACM MC2R, vol. 8, no. 2, April 20048. P Kyasanur, N Vaidya, Capacity of multi-channel wireless netw

15、orks: impact of number of channels and interfaces0 , Proc IEEE MobiCom* 05 20059. Alicherry, R Bhatia, L Li, 44Joint channel assignment and routing for throughput optimization m multi-radio wireless mesh network s, Proc IEEE MobiCom 05, 200510. Kodialam, T Nandagopal,uCharacterizing the capacity reg

16、ion in multiRadio,multi-Channel wireless mesh networks M , Proc IEEE MobiCom 05, 200511. P Bahl, A. Adya, J Padhye, A Wolman, Reconsidering Wireless Systems with Multiple Radios M , ACM CCR, Jul 2004.12. P Kyasanur, NHVaidya,44Routing in Multi-Channel Multi-Interface Ad hoc WirelessNetworks, TR. Dec

17、. 200413. G Holland, N Vaidya, P Bahl, 44 A rate-adaptive MAC protocol for multi-hop wireless networks , Proc, of ACM MobiCom 2001.14. B Sadeghi, Y Kanodia, A Sabharwal, E Knightly, *Opportunistic media access for multirate ad hoc networksM , Proc. Of ACM MobiCom 2002.15. D Qiao, S Choi, A Jain, K G

18、 Shin, MiSer： an optimal low-energy transmission strategy for IEEE 802. Ua/hM f Proc, of ACM MobiCom 2003.16. A Grilo, M Nunes, Link-adaptation and transmit power control for unicast and multicast in IEEE 802. lla/h/e WLANs , Proc, of IEEE LCN 2003.17. E Altman, A Kumar, D Kumar, R Venkatesh, 44Coop

19、erative and non-cooperative control in IEEE 802.11 WLANs , Research Report, INRIA, Sophia Antipolis, France, March 2005.二、国内外专利授权情况：本课题属于前沿技术研究，国内LI前还没有相关成形的研究成果和专利授 权。3.3、课題主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点.现有研处基础一、主要研究内容：本课题的提出在于引入认知协作网络的概念并为无线电资源的高效管理开 发核心技术，来解决诸如无线网络频谱和带宽受限、设备间相互干扰、移动设备 能源受限等问题，从而保证在自组织无线网络

20、中移动设备获得最佳连接特性的同 时，提高对稀缺无线电资源的利用效率。具体来说我们将研究以下三方面的问题：（1）研究“认知”与“协作”在高效管理无线电资源上的作用“认知”我们是指感知环境，根据环境做岀调整，其至是重新组织和构建 网络来提高系统的整体性能表现。“协作”我们是指和邻近的设备共同工作来准 确理解操作环境并用分布式的方式采取对应的行动的能力。我们将详细研究认知协作网络的核心问题，即如何智能化检测周围环境并做 岀相关无线电参数和网络协议的调整。详细研究单一设备的跨层次自适应以及一 组设备之间的协作和协同，提高系统的整体性能表现，从而达到在无线网络中高 效利用无线电资源的LI的。对“认知”与

21、“协作”的研究包括以下两个基础问题：A. 研究移动节点如何准确和协作地感知操作环境研究移动节点实时辨认邻近环境的能力。为了准确理解环境的状况，需要研 究设备如何显式地同邻近节点进行通信，并且描绘出该设备和邻近设备相互的干 扰状况以及它们所在网络的网络特征。B. 研究多个移动节点间如何协同协作与自适应在感知和描绘操作环境特征之后，需要研究设备如何可以利用动态频谱和路 山策略选择一个为实现有效载荷而优化的信道/频率以及路山；研究如何通过传 输功率控制和速率调整使设备基于连通性的需求来协作的优化其传输功率。为了研究上述两个基础问题，我们很有必要考虑以下两个在认知协作网络中 节点调节的关键设计原则（图

22、3-1）：1）单个设备的跨层次自适应每个层次内部的控制机制在各层次之间具有潜在的相互影响。必须仔细考虑 不同层的应用控制机制，有必要联合考虑跨不同层次的控制机制来优化整体系统 的性能表现。2）一组设备之间的协同协作单个设备内部的跨层次自适应还不足够，因为当某个设备执行某一动作时， 不同设备将相互影响相互作用。设备群组需要协作分析状况并相互协同来决定最 佳的通信设置、无线电、网络和协议等等。图3-1认知协作网络的跨层次自适应和协同协作在本课题讣划中，我们将研究两个具体的方案来论证在下一代无线网络中，“认知”和“协作”对提高无线电资源管理效率的作用、在分布式系统比如像多跳网络（mesh网络和sen

23、sor网络等）中管理多无线电设备的能力，以及跨层次自适 应和设备间协同对提高系统整体性能表现的效果。这两个方案是：在M3WN中的 分布式信道/频谱分配和路山策略，以及为多跳网络中的能源效率问题而进行的 分布式合作节点联合功率控制和速率自适应。即以下（2）和（3）两方面。（2）研究在M3WN中的分布式信道/频谱分配和路由策略信道分配和路III策略在M3WN中关系密切、相辅相成。需要研究如何在多无 线电多信道多跳网络中设讣一个分布式联合信道/频谱分配策略和路山方案来提 高系统性能表现，特别是高效的数据传输。其中每个设备都应以分布式和协作的 方式执行这个联合信道分配和路山优化算法，从而使所形成的网络

24、可以带有人们 期望的自组织特性。在该分布式算法中，需要研究如何定义一个信道分配和路由联合优化模式的 性能增益的量化量度标准，从而使网络中的分布节点可以根据性能增益程度协作 的进行相应的动作，来提高系统整体性能。另外还需要研究是否可以找到一种方 法来寻找新的联合优化的分布式算法。（3）研究为提高能源效率而进行的分布式联合功率控制和速率自适应研究如何在多跳网络中设计一个分布式的协作的联合功率控制和速率自适 应的方案来实现能源的高效利用。在无线多跳网络中能源效率是一个关键问题， 而能源效率和通信祚吐量是两个相矛盾的设讣LI标。因此，功率控制（用来实现 能源高效利用）和速率自适应（用来提高通信吞吐量）

25、需要联合考虑。为了解决 在多跳网络中的能源低效问题，我们需要从整个网络的角度出发，研究设备协同 的分布式的功率控制和速率自适应的联合设计方案，来实现能源高效利用。二、拟解决的技术难点：最近儿年无线通信技术有了极大的进展，包括了无线电、网络和移动设备等 方面的发展。我们认为不同的无线电技术,包括WiFi. WiMax. ZigBee.蓝牙、 超宽带、3G、软件无线电等等将同时存在。与此同时，现存的已规划好的移动网 络基础设施和各种异质的混合网络基础设施和对等通信模式建立的自组织系统 互为补充。而且，最近多频带/多无线电设备也大量出现。简而言之，在无线电、网络、设备方面，我们 可以看到很多差异，这

26、就为无线电资源的配置和管理提供了灵活性，但同时也增 加了系统的复杂性。要解决的关键问题，是在如此复杂的网络环境下如何保证用 户始终拥有最好的网络连接特性。而实现最好的网络连接特性和高效的无线电资 源管理，有以下四方面的技术难点需要解决：（1）现行的无线电资源管理为每种无线技术分配一个固定的频谱段。这一 静态分配策略使得设备无法高效的利用分配的频谱，导致频谱空洞（在本地区域 没有LI标设备），在其他区域也是非常低的利用率（6%-10%）。可见动态的频谱分 配策略可以很好的解决这一问题，而动态的频谱分配同路山策略在M3WN中关系 密切、相辅相成，因此需要通过分布式信道/频谱分配和路山策略的联合优化

27、算 法来提高信道/频谱的利用率。（2）无线电信道是共享的媒介，向某一邻近点发送的数据传输会对其他邻 近点产生干扰。为使设备之间的相互影响相互作用尽量减少，设备群组需要协作 分析网络状况并相互协同来决定最佳的通信设置、无线电、网络和协议等等，因 此设备协同是减少干扰、提高系统整体性能所必须考虑的原则。（3）在移动设备上电池能源是一个有限资源。随着在移动计算环境下网络 通信量的持续增加，对电池能源的竞争将更加激烈。为使通信祚吐量和能源利用 效率维持在相对平衡的状态，需要联合考虑功率控制和速率自适应，因此需要从 整个网络的角度出发，考虑多个设备的分布式功率控制和速率自适应的联合设计 方案，来实现能源

28、的高效利用。（4）无线网络的不同层次有不同方法来影响整个系统的性能，例如：接入 模型选择、功率调整、信道/频谱分配、速率自适应、时序编排、路山选择等等。 所有的这些控制都有可能会相互影响。举例来说，对特定网络接口的信道和频谱 的分配策略对邻近传输的相互干扰会有影响。此外，它也定义了网络的拓扑结构, 因而会影响路山。这些都导致无线电资源管理的问题非常复杂。因此，很有必要 考虑跨层次控制来共同优化系统整体性能表现。三、主要创新点:本课题研究的意义在于它的创意，因为学术界在这里提出的问题上的研究并 不多。本课题的LI标就是填补该缺口。本课题的成果不仅在理论研究上具有很高 的学术价值，在设讣更加高效的

29、无线电资源管理，特别是频谱分配策略方面也有 很大实际效用。以下三方面是本课题的创新之处：（1）本课题针对多无线电无线网络独有的特征，提出认知协作网络这一创 新概念，使移动设备可以在无线网络中保证最佳连接特性的同时，提高对稀缺无 线资源的利用效率。认知协作网络技术可以提供终端设备对无线环境的认知能 力，自适应、协作地使用无线资源以获得最佳的性能。（2）本课题计划的研究涉及下一代网络中无线电资源的管理，并展示跨层 次自适应和网络设备间的协作如何提高整个系统的性能表现。对单个设备内部的 跨层次设计和多无线电无线网络中多个设备间对等协作的影响的研究到口前为 止还比较少。联合考虑跨不同层次之间的控制机制

30、可以优化系统整体的性能表 现；而多个设备间的对等协作则可以减少设备间的相互干扰和相互影响，从而提 高无线网络资源的利用效率。（3）如何分配信道/频谱，调整传输速率和选择合适的发布路径来减少无线 环境下的干扰是提高无线电资源利用率的基本问题，这也是最近努力开放频谱的 主要LI的。本课题提出信道/频谱分配和路山策略的联合优化算法，可以动态的 分配信道/频谱，并使无线网络具有自组织的特性；另外也提出分布式联合功率 控制和速率自适应设讣方案，为保持通信祚吐量的同时提高能源效率提供很好的 方法。四、现有研究基础：课题组在过去的儿年中已经对无线网络中的无线电资源管理的相关领域作 了广泛的研究。特别的是，课

31、题组长对跨层次设计优化多跳网络性能表现做了理 论方面的研究，也为提高无线网络的发布效率研究了协调设备协作的分布式协 议。认知协作网络的研究是课题组长前期匸作的自然延伸。课题组长在跨层次设 计的理论研究、节点协作的分布式协议等方面都有很好的研究基础。如下：(1) 跨层次设计的理论研究A. 多无线电多信道多跳无线网络中的路山联合优化在多跳无线网络中，多无线电多信道的部署很可能充分提高系统的性能。在 文献1中，假设一个固定的无线多跳网络和一个特定的端到端的通信量负载， 我们研究了通过在M3WN中同质无线电联合路山优化得到的系统性能增益效果。 我们从该优化中得出了数学上规范的程式化描述，这个优化工作使

32、得为满足某一 特定通信祚吐量需求的整个系统的工作活动时间最少，而通信乔吐量需求受制于 邻近传输节点对的多接入干扰和每个节点的无线电接口限制。B. 多跳无线网络中网络规划的跨层次设计网络规划主要关心一件事，就是那些能够提供足够的覆盖面、呑吐量和良好 的终端客户服务质量的通信设施的成本效益。在文献2中，我们把无线多跳网 络的网络规划问题描述为：分配物理和媒介访问层的资源以实现成本最小化，并 满足特定的端到端通信要求。我们提出了一个迭代的跨层次优化，在以下的2 点中交替进行：1)联合优化在MAC层的时间共享和在网络层的流量分配最大值 的总和；2)更新物理层的操作状态。我们考虑两个LI标，最小化聚集载

33、波信号 的拥塞和最小化能源消耗，分别对应在带宽受限的体系下和能源受限的体系下。(2) 节点协作的分布式协议A. 在多速率无线网络中实现媒体接入的设备协作利用当前无线网络中支持的多速率能力，通过自动调整传输速率的方式可以 提高无线频谱的利用率。文献3的研究主要山以下的研究发现所推动：在无线 网络中，多跳高速率的路径可以实现比单跳低速率路径更佳的传输呑吐量和延迟 性能。特别的是，我们利用现存的多跳高速率链路的优势引入了一个中继半自动 媒体访问(Relay Aided Media Access, RAMA)协议，这个协议通过用经过一个转 发节点的两条高速率的连接取代一条低速率的连接得到了论证；在此R

34、AMA协议 中，一个关键的创新在于从紧邻的中继节点到标节点的传输是没有竞争的。B. 在多跳网络中支持VoIP的设备协作在多跳无线网络中，高效的实现实时业务特别是VoIP业务，是非常有挑战 性的。在文献4中，我们提出了一个新的软件解决方案，我们把它叫为SoftMAC,在多 跳无线网络中使用商业硬件来在支持VoIP业务。我们提出的SoftMAC驻留在MAC 层和IP层之间来协调邻近节点间实时多媒体传输和尽其所能的数据包传输。为 了有效保证可接受的VoIP业务，信道的占用时间和冲突比率应控制在适当的水 平以下。基于上述目标，SoftMAC体系结构中包含了分布式准入控制、速率控制、 优先级队列等。我们

35、把SoftMAC作为一个Windows网络驱动程序接口规范 (Network Driver Interface Specification, NDIS)驱动程序,并在 32 个支 持802.11 a/b/g的无线设备中建立了一个多跳测试平台5。我们提出的协作 SoftMAC框架也可以为家庭网络中的A/V流提供很好的支持，而家庭网络山混合 的无线局域网和以太网组成6。C. 在IPV6中支持移动性的终端协作过去已经有大量的移动解决方案被提出，但是到现在还没有一个被应用到实 际部署中。为了解决在以前的工作中部署的难点，我们提出了一个基于IPV6终 端协作的移动解决方案7。在我们的设计中，我们通过直接

36、实现两个通信节点 间的连接维护和数据包发送来保持端到端的原则。同时我们利用基于端到端的分 布式hash表来为移动主机实现自组织的、可扩展的、健壮的名字查找功能。当 移动信息无法在终端节点之间直接传输时，我们提出了一个基于以前介绍的P2P 整体框架的分布式订阅/通知服务的方法来发送移动信息。这就引出了一个减少 传输时延和高效数据分发的完整的终端协作解决方案。1 J Zhang H Wu, Q 2hang, B Li, Joint Routing and Scheduling in Multi-radio Multi-channel Multi-hop Wireless Networks, IEE

37、E BroadNETS, 2005.2. Y Wu, P Chou, Q Zhang, K Jian, 2hu, S Y Kung, Network Planning in Wireless Ad hoc Networks： A Cross-layer Approach, IEEE JSAC special issue on wireless ad hoc networks, vol.23, Issue 1, pp. 136-150. Jan. 2005.3. S. Zhou, B. Li, H. Wu, Q. Zhang, W. Zhu, A Relay Aided Media Access

38、 (RAMA) Protocol for Multihop and Multi-Rate Wireless Networks, to appear m IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2005.4. H Wu, X Wang, Y Liu, Q Zhang, Z-L Zhang, SoftMAC： Layer 2. 5 MAC for VoIP Support in Multi-hop Wireless Networks, IEEE SECOX 2005.5. Y Liu, Y Xiong, Y Yang, P Xu, Q Zhang, *

39、An Experimental Study on Multi-channel Multiradio Multi-hop Wireless Networks, IEEE Globecom 20056. H Wu, Y Liu, J Chen, Q Zhang, Layer 2 5 SoftMAC: End-system based Media Streaming Support on Home Networks*, IEEE Globecom 20057. C Guo, H Wu, K Tan, Q Zhang, J Song, J 2hou, C Hu it ema, W 2hu, End-s

40、ystem based Mobility Support in Ipv6*, to appear in IEEE JSAC special issue on Wireless Overlay Networks Based on Mobile IPv6, 2005.LI前课题组长在积极开展研发的同时，注意研究成果的保护，针对其中核心 关键技术已经申请相关的专利保护。以下是已经授权的相关专利技术： Methods and Systems for Providing Random Access to Structured Media Content （US 6, 807, 550 Bl） Quali

41、ty of Service Differentiation in Wireless Networks （No. 6, 937, 591） Improved Vertical Roaming in Wireless etworks Through Improved Quality of Service Measures （No. 6,944,144）另外还有20余项专利技术申请正在受理之中。3.4、课題预期达到的目标、主要技术指标，可获得专利等知识产权及人才培养情况一、预期达到的目标和主要技术指标：本课题讣划的研究LI标是研究多无线电无线网络独有的特性，并提出认知协 作网络CCN的概念，以此保证

42、最佳连接特性的同时提高对稀缺无线电资源的利用 效率。具体目标与指标包括以下三项：（1）解决在认知协作网络中的“认知”与“协作”等基础问题解决认知协作网络中的基础问题，使得：A. 网络设备可以准确和协作地感知操作环境；多种设备之间可以协同协作 与自适应。B. 单个设备具有跨层次自适应的能力；一组设备之间具有协同协作的能力。在本课题中，具体通过以下（2）和（3）两个具体的研究訂标来论证和展示 在下一代无线网络中“认知”和“协作”等基础问题对于无线电资源管理的有 效性。该部分预期可以发表硏究论文5篇以上，其中核心刊物和重要国际会议3篇 以上；另外与（2）和（3）的具体研究内容相结合，可以编写详细研究

43、报告一篇。（2）提出在H3WN中的分布式信道/频谱分配和路山策略达到这一 LI标需要达成以下儿方面：A. 明确定义一个信道分配和路山联合优化模式的性能增益的量化量度标 准，从而可以基于这种量度标准在每个节点上分布式的做出有关决定。B. 提出一种方案来寻找新的联合优化模式并保证这种新模式不会导致网络 分隔和吞吐量的下降。C. 该分布式算法需要解决在异质的环境中通过发信号来获取最新的联合优 化的通信量和状态信息，以及现有的标准硬件能力有限所带来的一些技术挑战。 同时，分布式算法应该是可扩展于未来的硬件和MAC标准的。D. 在本课题中完成一些仿真实验和实际实验来检验提出的联合优化方案的 有效性。该部

44、分预期可以发表研究论文5篇以上，其中核心刊物和重要国际会议2篇 以上；另外预期可以获得3到4项的专利授权。（3）提出为提高能源效率而进行的分布式联合功率控制和速率自适应方案达到这一 标需要达成以下儿方面：A. 该问题可以形成为一个最优化问题，基于该问题的特性找出一个最优或 者次优的解决方案。B. 提出一种分布式的协作的速率调整方案来实现能源的高效利用。C. 在本课题中完成一些仿真实验验证结果并比较不同的算法和方案。该部分预期可以发表研究论文5篇以上，其中核心刊物和重要国际会议2篇 以上；另外预期可以获得3到4项的专利授权。二、可获得专利及人才培养情况：本课题属于询沿技术研究，国内U前还没有相关

45、成形的研究成果和专利授 权。如前面所述，当课题完成后，在自组织无线网络中的设备跨层次自适应、设 备对环境的感知、设备间相互协同、分布式信道/频谱分配和路山策略、联合功 率控制和速率自适应以提高能源效率等相关核心关键技术上预计可以获得国内 外的6到8项专利授权。此外，课题组长在中山大学信息科学与技术学院担任客座教授、研究生导师, 因此可以带动研究生在该技术方向进行深入的学习和研究，并指导研究生完成该 方向的科研论文和学位论文。预讣山课题组研究人员发表以及课题组长指导硕士 研究生发表的科研论文可达15篇以上，其中核心刊物和重要国际会议7篇以上；另外课题组长在课题 进行的大约两年的时间里面可以指导4

46、到5名硕士研究生完成学位论文。3.5、课題拟采取的研究方法，课题技术路线（或实施方案及其可行性分析（如有协作单位，请说明课题 的任务分工）一、本课题将采用以下技术路线和研究方法：为了高效的管理下一代多无线电无线网络的无线电资源，很有必要使终端设 备和网络共同协作来感知和认知以下一些方面：1）用户/应用的需求；2）无线 电环境，包括来自其他用户/无线电的干扰、信道状况等；3）网络环境，包括网 络类型和状况等等；通过了解环境状况，具有感知能力的控制器将做出决定来适 应环境并提高系统的整体性能表现。（1）在认知协作网络中的基础问题研究认知协作网络的LI的是优化系统的整体性能表现。在本课题中，我们计划

47、研 究CCN的核心技术，就是如何智能感知周围的环境并智能的调整无线电参数和网 络协议。A. 准确和协作地感知操作环境在这里，最具挑战性的部分是实时辨认邻近的环境。用户之间的干扰取决于 链路损耗、载波频率等。在动态和分布式的模式下很难断定设备间的干扰程度。 一般的，一个设备可以测量它自身受干扰的状况，但是，它不能断定它对其他设 备造成的干扰。因此，需要显式地同邻近节点进行通信来了解周围的环境状况。 此外,干扰也不能简单地看成噪声。在不同地方的设备可能会有不同的干扰效果, 比如，能被感知的设备和处于“隐藏”地带的设备对正在通信的双方的影响是不 同的。为了准确理解环境的状况，设备应具有描绘该设备和邻

48、近设备所在网络的 网络特征的能力。更加具体地说，这就包括以下工作：干扰和信道的特征分析和 辨别、和寻址相关的信息交换、节点移动性和拓扑结构、安全协议等等。B. 多设备间的协同协作与自适应在感知和描绘操作环境特征之后，可以采取一些行动。首先，利用动态频谱 选择，无线电可以基于应用需求选择一个为实现有效载荷而优化的信道/频率。 这也可以包括多无线电操作。其次，通过传输功率控制和速率调整，设备的输出 功率是受控制的，因此可以调整它的覆盖范圉和对邻近的设备的潜在干扰。通过 联合考虑接入模式（基础组织/ad hoc模型），设备能够基于连通性的需求来协 作的优化设备的传输功率；再次，协作多跳网络是比自适应

49、网络更全面的解决方 案，它可以调整传输的无线电、邻近节点，其至是传输路径来满足整体系统的需 要。我们计划分3个层次研究本课题中的“协同”，即：单无线电的调节参数； 单个设备内部的多无线电之间的协调；多个设备之间的协同。为了研究上述两个基础问题，我们将应用以下两个在认知协作网络中节点调 节的关键的设计原则。1）单个设备的跨层次自适应在无线网络中，在不同的层次控制不同的参数。比如，在物理层的功率控制 和无线电管理将改变整个系统的拓扑结构。在媒体访问层的安排将影响网络中的 空间和时间的重用。在网络层的路山将改变数据流的分发。最终，传输层的拥塞 和速率控制将改变每个通信链路的通信量。那些控制机制具有潜

50、在的相互影响。 必须仔细考虑不同层的应用控制机制，有必要联合考虑跨不同层次的控制机制来 优化整体系统的性能表现。需要研究全面控制和局部控制的折中方案。2）一组设备之间的协同协作对于多无线电无线环境的认知网络，单个设备内部的跨层次自适应还不够 好，因为一旦某个设备执行某一动作，不同设备将相互影响相互作用。设备群组 将协作分析状况并相互协同来决定最佳的通信设备、无线电、网络和协议等等。 更加具体的是，设备应协调工作来开拓可用的信道的范围，通过和其他节点的协 作来延伸覆盖面，来联合检测错误链路并和其他端系统一起找到替代点，同时来 实现在不同无线网络的无缝漫游。考虑到多个设备协作时反馈延迟的可能性，需

51、 要对控制系统的稳定性进行探讨。随着CCN这一革命性算法的引入，使得在协议设计、环境感知、功率、干扰 规则、新的分布式算法等方面面临许多新的技术挑战。山于无线电资源（例如频 谱）的缺乏，电池能量的限制，山干扰引起的固有的传输损伤等问题，克服这些 问题变得更加具有挑战性。在本课题中，我们将研究两个具体的方案来论证在下一代无线网络中“认 知”和“协作”对提高无线电资源管理效率所起的作用。这两个方案是：在M3WN 中的分布式信道/频谱分配和路山策略，以及为多跳网络中的能源效率问题而进 行的分布式合作节点联合功率控制和速率自适应。(2) 在H3WN中的分布式信道/频谱分配和路山策略在本课题中，我们讨论

52、如何通过联合信道/频谱分配和路山来减少一个异质 的多无线电多信道多跳无线网络中的无线干扰来提高系统的性能表现。为了有效 地减轻干扰，路由和信道/频谱分配策略都需要仔细考虑设计。很明显，在M3WN 中信道分配和路山关系紧密，一方面，信道分配决定了无线电之间的连接性，因 为两个无线电只有当他们处于一个共同的信道上时才能互相通信，因而信道分配 决定了网络的拓扑结构。据我们所知，路山策略是基于网络的拓扑结构确定的， 因此，信道分配对路山有直接的影响。另一方面，为了实现更好的效果，信道分 配应根据通信量的状况动态调整，而通信量是山路山算法决定的。因此，路山和 信道分配是紧耦合的。图5-1 (a)表示了带

53、有六个节点的拓扑结构图，每个节点由一个六角形表 示，小实心圆环表示802. 11a接口，空心圆环表示802. llg接口，在这些节点之间,只有节点N1支持802. 11a的无线电,对于其他剩下的节点，每个都同时支持802. 11a和802. llg两种无线电。iia(a36：i naia36ina ia36i na：a38|na|a%：ina.：a36| iiaia%)(d)图5-1信道分配和路由的拓扑结构假定初始的信道启动如图5-1 (a)所示，所有802.11a的无线电使用信道 a36, 802. llg的无线电使用信道gl,假设有一个数据流，我们把它称为Flowl, 使用802. llg

54、的无线电在信道gl传送。现在有一个Flow2的数据流从节点N1 到N6到达，假设路山协议有所有当前的链路状况的最新信息，包括链路容量、 使用中的信道、损失比率、通信量负载等等。对于固定的信道分配策略，Flow2 的最佳路径应该是Nl(a36)aN2(a36)aN3(gl)dN6,因为它少了一些隐藏终端的 干扰从而实现了冲突可能性的最小化。得到的信道分配和路山模式如图5-1 (b) 所示。对于那些固定的路径，我们来测试使用一个新的信道(在同一个无线电接 口之内)是否可以提高图5-1 (b)这种模式的性能表现，在这个例子中，如果 节点N3和N6把他们的802. llg的无线电分配到一个新的信道上g

55、6,可以大幅 提高数据流Flowl. Flow2的性能表现，因为他们之间的干扰减少了。这样所产 生的新方式，即分开进行路山和信道分配(对于信道分配，路山的接口选择是固 定的)，如图5-1 (c)所示。但是，这种解决方案不是最优的。实际上，最佳的 解决方案如图5-1 (d)所示，和图(c)中所示的解决方案相比，在图(d)中的所有 链路相互之间都没有干扰，因此Flowl和Flow2能实现最大的容量。注意在图(d) 中的Flow2的路径,N1 (a36)dN2(g6)dN3(a40)dN6,在图5-1 (b)中如果不同时 改变节点N2的路曲接口和N3到N6的传输信道，则无法选择该条路径。总之， 上述

56、例子论证了信道分配和路III应联合调整。基于这些观察，在本课题中，我们认为信道分配和路山应该联合优化来提高 M3WN的性能表现。另外，每个节点都应以分布式和协作的方式执行这个联合信 道分配和路III算法，从而使所形成的网络可以带有人们期望的自组织特性。对于在异质的M3WN中有效实现联合考虑信道分配和路由的分布式算法，在 本课题中将对其中一些具有挑战性的问题进行探讨。A. 应该明确定义一个釆用任一新的信道分配和路山联合优化模式所得到的 性能增益的量化量度标准，从而可以基于这种量度标准在每个节点上分布式的做 出有关决定。在搜寻新的模式中，需要一个量化的单位来描绘系统性能增益的效 果。在无线网络中，

57、邻近信道的干扰对系统的乔吐量有极大的负面影响。此外， 考虑异质无线电环境，一个通信量很大的信道和一个通信量比较小的信道对整体 系统性能的影响具有很大的差别。因此，提出的量度标准单位应该能描绘信道干 扰的影响和信道多样化的益处。B. 在多数实际应用中，部分节点有多种异质的无线电。这就意味着可能在 整个网络中没有共同的无线电或是共同的信道支持。这样的异质无线电使得路山 和信道分配策略的设计极其复杂，因为一不小心就可能会导致网络的分隔。我们 需要想出一种方案，来寻找新模式并保证这种新模式不会导致网络分隔和祚吐量 的下降。C. 在这样一个异质的环境中通过发信号来获取最新的信道分配和路山联合 优化的通信

58、量和状态信息，使得分布式算法的可行性面临挑战。另外，现有的标 准硬件能力有限，也使分布式算法的路111协议面临一些技术挑战（例如， 802.Ha/b/g的网络接口卡在信道转换上的额外开销需要考虑）。同时，在这里 提岀的分布式算法应该是可扩展于未来的硬件和MAC标准，例如超宽带的设备。D. 我们计划在本课题中进行一些仿真实验和实际的实验来检验提出的联合 优化方案的有效性。（3）在多跳网络中为提高能源效率而进行的分布式联合功率控制和速率自适应在无线多跳网络中能源效率是一个关键问题。但是，众所周知，能源效率和 通信呑吐量是两个相矛盾的设讣口标。因此，功率控制（用来实现能源高效利用） 和速率自适应（用来提高通信乔吐量）需要联合考虑。山于我们观察到山多跳网 络中的隐藏终