无线传感器网络中基于动态频谱接入的认知技术研究

As a brand-new technology of information acquisition and processing, wireless sensor networks (WSN) have wide application foreground. The issue of constrained spectrum resource in WSNs can be efficiently addressed by introducing cognitive radio (CR) technologies. However, conventional centralized spectrum sensing shows a great deal of disadvantages in terms of sensing coverage, sensing site number and deployment flexibility. In this project, spectrum sensing is performed in a distributed manner at each node and a spectrum database is established to colloect spectrum usage information, depending on which spectrum resource is dynamically shared among the wireless sensor networks. The detailed research includes "wiki" distributed collection and sharing of spectrum usage information, joint temporal, spectral and spatial prediction for spectrum usage information and dynamic spectrum allocation based on predicted spectrum usage information as well as adaption for topology control and rounte selection under dynamic available spectrum resource. The project is aimed at distributed collection for spectrum usage information by taking advantages of self-organization, self-maintenance and deployment flexibility of WSNs and dynamic spectrum sharing based on spectrum database such that the high cost and deployment inflexibility of conventional centralized spectrum sensing can be efficiently addressed. It complies with the current trend of WSNs and CR technologies and contributes to expanding the application of WSNs in various areas.

无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术，具有十分广阔的应用前景。在无线传感器网络中引入认知无线电技术，能够有效解决无线传感器网络频谱资源受限的问题。本课题通过传感器节点进行分布式频谱感知，构建频谱数据库，并基于频谱使用信息在无线传感器网络中动态管理频谱资源。具体研究内容包括频谱使用信息的"维基"分布式采集与共享，频谱使用信息的时间、频率、空间的联合预测，基于频谱使用信息预测的动态频谱资源分配以及可用频谱资源动态变化下的网络拓扑控制和路由选择的自适应。本课题旨在利用无线传感器网络自组织、自维护、部署灵活等特点进行分布式频谱使用信息采集以解决传统集中式频谱感知成本过高、部署不灵活等问题，同时基于频谱数据库在无线传感器网络中动态共享频谱资源并动态调整拓扑和路由以提高频谱使用效率。本课题符合当前无线电网络与认知无线电技术的发展趋势，其研究成果有助于推动无线传感器网络在各领域广泛应用。

本项目的预期目标是利用无线传感器网络自组织、自维护、部署灵活等特点进行分布式频谱使用信息采集以解决传统集中式频谱感知成本过高、部署不灵活等问题，同时基于频谱数据库在无线传感器网络中动态共享频谱资源并动态调整拓扑和路由以提高频谱使用效率。.为实现上述目标，项目组首先提出频谱使用信息的分布式采集与共享机制，在此基础上提出了频谱使用信息的时间、频率、空间估计与预测方法，随后提出基于频谱使用信息预测的频谱资源分配策略，最后搭建由多个已开发的传感器网络节点组成测试网络，并与频谱使用信息采集系统联合，搭建测试验证系统。.1. 首先，在基于“维基”方式的频谱使用信息分布式采集与共享机制方面，项目组设计了频谱数据采集系统，完成了基于无监督学习的频谱感知的研究，提出了认知传感器节点基于能量采集的接入技术。.2. 其次，在频谱使用信息的时间、频率、空间估计与预测方法方面，项目组提出了移动传感器节点的位置预测方法、基于强化学习的频谱接入和能量收集策略，建立了基于统一网格的时空自回归预测模型。.3. 接着，在基于频谱使用信息预测的频谱资源分配策略方面，项目组研究了基于中继协作的频谱分配策略，完成了认知无线电系统中能量采集、频谱感知与数据传输的优化设计，提出了认知无线电网络主次用户协作模式的频谱分配策略、干扰抑制下主次用户非协作模式的频谱分配策略和认知D2D网络中的资源分配策略。.4. 最后，在测试网络与频谱使用信息采集系统的联合方面，项目组建立了基于分布式存储于计算的频谱数据分析平台。.综上所述，项目组圆满完成了项目任务。