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.doc

课题名称：
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究
申 请 人：
张黔
依托单位：
中山大学

3.1、课题简介（简要说明课题的目的意义、主要研究内容、预期目标等，字数要求1000字以内）
近年来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来为用户的各种应用提供不同的服务能力。随着无线设备特别是多无线电/多频带设备的快速增加，人们普遍关注随时连接到最佳通信网络的问题，因而支持多无线电网络的研究是目前最热的领域之一。技术上面临诸多挑战：由于无线媒介的共享特性，邻近的设备将互相干扰，带来显著的系统性能下降。为减少不同无线技术间的干扰，现有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用率。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手的问题。 本课题的研究目标是研究多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，来保证在自组织无线网络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。我国下一代无线网络技术正快速发展，本课题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。主要研究内容包括三方面： （1）研究无线终端设备的“认知”与“协作”在高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，从而解决前面提到的问题。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、高速的自组织无线网络。 考虑跨层次设计与设备协同的原则，研究两种具体方案来论证在CCN中“认知”与“协作”如何提高无线电资源管理的效率。即以下（2）（3）两点： （2）研究在多无线电多信道多跳无线网络（Multi-radio Multi-channel Multi-hop Wireless Network，M3WN）中设计一个分布式联合信道/频谱分配策略和路由方案来提高系统性能表现。 （3）研究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来实现能源的高效利用。 课题的预期目标包括：（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M3WN中的分布式信道/频谱分配和路由策略。（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。课题完成后根据以上三方面的内容编写研究报告一篇；论文15篇以上，其中核心刊物和重要国际会议7篇以上；申请专利技术6到8项。 
3.2、课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利申请和授权情况
一、国内外发展现状与趋势：
（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WinLAB[2]等等，他们在相关领域已开始一些有趣的项目研究。由Motorola组织开展的端到端可重组性网络的项目研究[3]，目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SDR技术实现的开放频谱技术的目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，但是目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。
（2）多无线电多信道多跳无线网络的信道/频谱分配和路由选择策略
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，路由选择从源端到目的端的通信路径，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策略的集中路由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由和时序编排，并分别提出了一个常量因素的近似值和一个可用的下界。
当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由但没有把它们关联起来。文章[11]提出了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由策略的组合解决方案。文章[12]提出了为路由和信道分配策略设计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，速率调整由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，上述研究工作的目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由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. Čabrić, S. M. Mishra, D. Willkomm, R. Brodersen, A. Wolisz, “A Cognitive Radio Approach for Usage of Virtual Unlicensed Spectrum”, 14th IST Mobile and Wireless Communications Summit, June 2005.
2. D. Raychaudhuri, “Cognitive Radio as a Building Block for Adaptive, Self-Organizing Wireless Networks of the Future”, SDR Forum Workshops and General Meeting, Seoul, September, 2004.
3. End-to-End Reconfigurability (E²R),
4. Radio free Intel,
5. DARPA XG Program Vision, available from http://www.darpa.mil/ato/programs/XG.
6. The Programmable Wireless Networking, (PROWIN), NSF Program Solicitation NSF 04-540, NSF Programmable Wireless Networking Informational Meeting, Feb. 5, 2004.
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 2004.
8. P. Kyasanur, N. Vaidya, “Capacity of multi-channel wireless networks: impact of number of channels and interfaces”, Proc. IEEE MobiCom'05, 2005.
9. M. Alicherry, R. Bhatia, L. Li, “Joint channel assignment and routing for throughput optimization in multi-radio wireless mesh network”s, Proc. IEEE MobiCom’05, 2005.
10. M. Kodialam, T. Nandagopal, “Characterizing the capacity region in multi-Radio, multi-Channel wireless mesh networks”, Proc. IEEE MobiCom'05, 2005.
11. P.Bahl, A.Adya, J.Padhye, A.Wolman, “Reconsidering Wireless Systems with Multiple Radios”, ACM CCR, Jul 2004.
12. P.Kyasanur, N.H.Vaidya, “Routing in Multi-Channel Multi-Interface Ad hoc Wireless Networks”, TR.Dec.2004.
13. G. Holland, N. Vaidya, P. Bahl, “A rate-adaptive MAC protocol for multi-hop wireless networks”, Proc. of ACM MobiCom 2001.
14. B. Sadeghi, V. Kanodia, A. Sabharwal, E. Knightly, “Opportunistic media access for multirate ad hoc networks”, Proc. Of ACM MobiCom 2002.
15. D. Qiao, S. Choi, A. Jain, K. G. Shin, “MiSer: an optimal low-energy transmission strategy for IEEE 802.11a/h”, Proc. of ACM MobiCom 2003.
16. A. Grilo, M. Nunes, “Link-adaptation and transmit power control for unicast and multicast in IEEE 802.11a/h/e WLANs”, Proc. of IEEE LCN 2003.
17. E. Altman, A. Kumar, D. Kumar, R. Venkatesh, “Cooperative 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，国内目前还没有相关成形的研究成果和专利授权。

3.3、课题主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点，现有研究基础
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，根据环境做出调整，甚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出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目的。
对“认知”与“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由策略选择一个为实现有效载荷而优化的信道/频率以及路由；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。

User

Network

Medium

图3-1 认知协作网络的跨层次自适应和协同协作

在本课题计划中，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sensor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/频谱分配和路由策略，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
信道分配和路由策略在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计一个分布式联合信道/频谱分配策略和路由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由优化算法，从而使所形成的网络可以带有人们期望的自组织特性。
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，而能源效率和通信吞吐量是两个相矛盾的设计目标。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）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：
最近几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（在本地区域没有目标设备），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由策略在M3WN中关系密切、相辅相成，因此需要通过分布式信道/频谱分配和路由策略的联合优化算法来提高信道/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。为使通信吞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、路由选择等等。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，因而会影响路由。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。本课题的目标就是填补该缺口。本课题的成果不仅在理论研究上具有很高的学术价值，在设计更加高效的无线电资源管理，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目前为止还比较少。联合考虑跨不同层次之间的控制机制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目的。本课题提出信道/频谱分配和路由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计方案，为保持通信吞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：
课题组在过去的几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工作的自然延伸。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由联合优化
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由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，这个优化工作使得为满足某一特定通信吞吐量需求的整个系统的工作活动时间最少，而通信吞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、吞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。我们考虑两个目标，最小化聚集载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]的研究主要由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吞吐量和延迟性能。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RAMA协议中，一个关键的创新在于从紧邻的中继节点到目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，而家庭网络由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. Zhang, B. Li, "Joint Routing and Scheduling in Multi-radio Multi-channel Multi-hop Wireless Networks", IEEE BroadNETS, 2005.
2. Y. Wu, P. Chou, Q. Zhang, K. Jian, W. Zhu, 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 (RAMA) Protocol for Multihop and Multi-Rate Wireless Networks", to appear in 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 SECON, 2005.
5. Y. Liu, Y. Xiong, Y. Yang, P. Xu, Q. Zhang, "An Experimental Study on Multi-channel Multi-radio Multi-hop Wireless Networks", IEEE Globecom 2005.
6. H. Wu, Y. Liu, J. Chen, Q. Zhang, "Layer 2.5 SoftMAC: End-system based Media Streaming Support on Home Networks", IEEE Globecom 2005.
7. C. Guo, H. Wu, K. Tan, Q. Zhang, J. Song, J. Zhou, C. Huitema, W. Zhu, "End-system based Mobility Support in Ipv6", to appear in IEEE JSAC special issue on Wireless Overlay Networks Based on Mobile IPv6, 2005.
目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 B1)
· Quality of Service Differentiation in Wireless Networks (No. 6,937,591)
· Improved Vertical Roaming in Wireless Networks 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、课题预期达到的目标、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：
本课题计划的研究目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）两个具体的研究目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研究论文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，可以编写详细研究报告一篇。
（2）提出在M3WN中的分布式信道/频谱分配和路由策略
达到这一目标需要达成以下几方面：
A. 明确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
达到这一目标需要达成以下几方面：
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：
本课题属于前沿技术研究，国内目前还没有相关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/频谱分配和路由策略、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。预计由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到5名硕士研究生完成学位论文。

3.5、课题拟采取的研究方法，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
认知协作网络的目的是优化系统的整体性能表现。在本课题中，我们计划研究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围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，甚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