海域动态频谱的认知通信研究

In present days homogeneous communication architectures and techniques cannot satisfy multi-tenant, multi-rate, and seamless wireless communication with great QoS guarantee across the wide ocean area. Featuring sparse networks in terms of their topologies, marine communication networks fall short in communication infrastructures, dynamic topology control, and unified deployment of nodes. To this end, we focus on a set of wireless communication problems in marine scenarios, including marine wireless channel modeling and levering cognitive wireless radio techniques to bridge heterogeneous networks scattered in the ocean based on our testbed deployed in the South China Sea, and propose a comprehensive marine wireless mobile communication framework, where narrowband, opportunistic, separated spectrum resources can be efficiently integrated in order to achieve wideband, robust communication. In addition, we focus on theoretical aspects of research in cognitive radio in marine scenarios, proposing an optimization framework taking into account a class of radio frequency parameters and constraints such as interference, path loss, wireless link errors, link layer delay, energy efficiency, etc. in favor of studying multi-dimensional coordination techniques in spectrum data fusion for combatting negative factors like fading and shadow in the case of marine communication. We hope that our comprehensive frameworks open a door for wireless networking researchers towards building a better community focusing on future marine wireless communication techniques.

解决海洋环境下的通信技术问题。单一结构与技术的网络不能实现辽阔海域的多业务、多数据速率，满足不同QOS要求的无缝全覆盖通信。海洋通信网络由于缺乏通信基础设施，网络拓扑结构动态变化，节点不是被统一部署，呈现出稀疏机会网络特征。在充分调研海域无线射频环境，建立各频段信道的数学模型的基础上，利用认知无线电技术将各种异质网络有机地组合起来，研究一种新型的海域综合移动通信系统模型，使得能在窄带的、分离的、机会的频谱上实现宽带的、高通达率的通信；同时，还对认知无线电在海域的频谱感知机制进行研究，利用多个认知无线电设备之间的多维度协作，对感知信息进行融合，减小传播环境中阴影衰落等因素的影响，提高频谱感知的准确度；考虑射频环境和频谱参数，如干扰、路径损耗、无线链路错误、链路层时延、能效等约束条件，设计优化的动态频谱接入方案，建立通畅的数据链路。对海域无线通信理论与技术进行创新探索研究。

海洋环境下的通信理论与技术在电磁波传播特性、频谱的占用度与利用率、网络的动态拓扑、组网方式、网络模型与协议等方面与陆地有较大的不同，有待深入研究。.参与了与海南无线电监督管理局合作的环海南岛近海频谱资源的测试与占用度调查，填补了南海频谱资源调查的空白，具有重大的社会意义，为开展南海频谱管控提供了一定的依据，为海洋信道模型的建立提供了部分实验参数。南海近海海域存在IMT-Advanced、VHF-UHF空白频段，利用该频段进行异构网络融合的认知通信是可行的。.通过对海洋通信信道的分析研究，来掌握频谱感知过程中的无线电环境背景，为频谱感知算法提供依据。从而提高感知精度、降低感知开销。本项目完成了海洋信道的快衰落及慢衰落特征的建模与仿真。通过对Longley-Rice 模型的分析研究，验证了其对海洋信道慢衰落预测的有效性。并根据南海海域的介电常数、电导率、气象条件等物理因子，对Longley-Rice 模型进行修正，得到了南海海域的海洋信道慢衰落的预测模型。IMT-Advanced频段多用于Wifi、WiMax、蜂窝网、自组织网等。该频段具有高带宽、可传输数据量大、速率高等特点，但传播距离短，海浪对电磁波的散射是海面多径的主因。通过详细分析重力波和波浪间的非线性水动力作用动态海面产生后向散射回波的特性，构造了海谱，建立了海洋电磁散射模型，从而获得多普勒滤波器特性，进而构造了离散多径信道的均匀间隔TDL海洋电磁波传播的快衰落模型。.提出了一种门限自适应的分簇协作频谱感知算法，通过分簇的方式解决了认知用户到融合中心之间由于控制信道不理想引起的信号衰落问题，减少认知节点与融合中心之间的数据传输，降低控制信道中的传输误码率。该算法能够适应感知环境的动态变化，在簇内用自适应双门限代替“或”判决，是一种适应于海洋环境的新型频谱感知算法。.针对异构网络融合的网关选择、利用GPS为海洋无线通信收发器供电，可见光认知无线电在海洋通信中的可行性进行了深入探讨，获得了一些创新性的成果。.本项目成果对利用认知无线电技术将异质网络有机地融合，构建一种新型的海域综合移动通信系统，实现全海域无缝隙覆盖的宽带通信打下了坚实基础。