基于认知无线电的工业无线网络理论与优化方法

本项目开展了工业认知无线网络的组网技术及其优化方法的研究，取得了如下研究成果。一、提出了新的工业网络架构及其网络部署方法。创新性地提出了融合底层FieldNet网络、中间层Mesh骨干网和顶层工业以太网的无线/有线异构认知网络新架构，充分利用现有工业网络与工艺流程的匹配。基于此新架构，考虑传感器节点、中继节点在感知功能、计算能力上的异构性，建立了网络一致性估计性能与异构节点拓扑结构之间的解析关系，为通过合理部署多类网络节点来提升网络整体估计性能提供了严格的理论依据和高效部署方法。二、在组网技术方面，提出了基于Mesh骨干网认知导频和FieldNet快速感知的二级感知策略，实现了合作频谱感知的干扰管理和信道优化分配。针对FieldNet和Mesh骨干网的信息收集和指令下发需求，将功率分配、带宽分配、多中继选择、协作分组、接纳控制、时隙分配等问题建模成同时含有连续和离散变量的非线性非凸优化问题。基于博弈论、动态规划、整数规划等优化理论，提出了一系列资源优化分配算法，为认知无线技术与合作通信技术与工业网络这一特殊结构的结合提供了重要的理论研究方法，推动了相关技术的发展。三、在网络安全机制设计方面，考虑骨干Mesh网络中网关融合底层FieldNet频谱感知结果的框架下，针对感知数据篡改、发送错误感知结果等恶意攻击的行为检测问题，基于频谱感知结果相关性这一特殊发现，提出了鲁棒检测方法。针对认知节点的熵自私行为，提出了基于非密码的难题构造方法激励熵自私节点进行频谱感知。针对关键设备的位置隐私保护问题，提出了私密频谱分配协议和频谱申请机制。四、在技术实现方面，开发了具有自主知识产权的MicroRF协议栈，在工业应用现场要求主网络深度较大、枝网络深度有限且监测节点较多的情况下具有绝对的优势；基于USRP软件无线电设备和PXI总线设备，构建移动视频监控系统；所构建的“冶金工业污水处理无线监控系统”在两家冶金企业的污水处理现场实现示范应用9个月，运行良好。所设计的平台获得2013全国虚拟仪器大赛一等奖，获IEEE通信学会学生竞赛全球第三名。本项目实施过程中，在IEEE Transactions等国际期刊和顶级会议发表论文107篇，其中SCI收录47篇。申请发明专利16项，已授权10项，申请软件著作权5项。培养博士后2名，博士生、硕士生26名，形成了一支工业无线网络方向的优秀研究队伍。

工业无线网络是工业信息化的关键技术,有着严格的实时性与可靠性的通信需求。本项目以钢铁工业监测系统为应用范例，利用认知无线电的认知性与适变性，探索工业认知无线电频谱感知与资源管理的科学方法，建立认知无线电面向工业应用的协议与性能评估体系。主要研究内容有：(１)基于认知的频谱感知，包括频域内基于信号盲检测的频谱感知与分布式合作频谱感知；(２)基于认知的路由、信道规划与中继技术研究，包括面向时、空、频域特性的路由与频谱规划，基于中继的差错控制；(３)工业认知无线网络的安全机制研究，即开发轻量级、频谱同步的加密算法与路由安全策略；(４)工业认知无线网络有效信道容量分析与优化，包括联合性能与干扰限制的有效信道容量建立与基于部分信道状态的功率控制；(５)面向工业的认知无线电协议测试平台开发。本项目有望在理论与技术层面上有所突破和创新，为认知无线电的工业应用奠定理论和技术基础。

认知无线电技术被视为解决当前频谱资源利用率低的有效方案。各标准化组织和行业联盟纷纷展开对认知无线电技术的研究，并着手制定认知无线电的标准和协议，以其推动认知无线电技术的发展和应用。涉及认知无线电标准化的机构主要有美国电气电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛（SDRForum）和美国国防部高级研究计划署（DARPA）等。

IEEE涉及认知无线电的标准最受关注的有两个：IEEE802.22和IEEESCC41（或者称为P1900）。其中，IEEE802.22是采用认知无线电技术为基础的空中接口标准，IEEESCC41的标准化工作主要涉及动态频谱接入的相关技术。另外，我们认为，共存问题、动态频谱选择和功率控制、动态频谱接入等技术都属于认知无线电的范畴。因此，除上述两个标准之外，IEEE还有其他几个标准也涉及认知无线电，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已经完成的标准化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）IEEE802.11h-2003。

OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded), 是Wireless@Virginia Tech 贡献给开源社区的对软件定义无线电（SDR）尤其是对认知无线电的探索。它的主要目的是用于对软件定义无线电和无线通信技术进行研发和教学。该软件包包含基于JTRS 的软件通信结构（SCA）的SDR 的核心构架、快速开发 SDR 部件和信号波形处理程序的工具、预制部件的库及信号处理程序。而且还包括同Naval Postgraduate School 共同开发的用于实验室练习用的一组免费的练习，用于SDR 的教学和培训用。OSSIE 同GNU Radio 一样都可使用通用软件无线电平台（Universal Software Radio Peripheral - USRP）。

国内外认知无线电技术的研究大都集中在物理层、MAC层、网络层的功能方面，如频谱感知、功率控制、频谱共享、频谱移动性管理、认知无线电的安全技术以及认知无线电的跨层设计等技术。

针对认知无线电的发展，世界各国通信专家都密切关注，国内外的大学和科研机构也相续开展了认知无线电技术的研究。其中主要的研究机构有美国国防高级研究计划署（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、维吉尼亚无线通信技术中心、英国移动电信技术虚拟中心多模终端研究小组、布里斯托尔大学通信系统研究中心和欧洲通信协会等。此外，美国加州大学伯克利分校的无线研究中心、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院等也有关于认知无线电方面的研究。

近年来，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，并开展了相关的研究，这些研究机构主要是清华大学、电子科技大学、西安交通大学及香港科技大学等高校。鉴于认知无线电的研究状况，国家“863”计划基金也在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。