面向ISM频段无线传感器网络的合作共存与优化技术

For the coexistence and optimization problem of Wireless Sensor Networks (WSNs) based on ISM band, a combination method of "top-control" and "remedy afterwards" is proposed to guarantee the network availability and performance stability. This method includes the following original achievements: 1) using the information entropy theory to extract and model the factor features that affect the coexistence performance; 2) dividing the coexistence region based on the adaptive path loss model and the interference coupling decomposition among networks; and 3) cooperative coexistence and optimization method based on the coperative busy signal and shared fitness. These achievements will form a theory and method system for cooperative coexistence and optimization of WSNs on ISM band. In addition, the simulation and experiment platforms will be developed to verify the correctness and effectiveness of the proposed technologies and methods, which will further guide the practical applications.

针对ISM频段无线传感器网络共存和优化需要解决的网络可用性和性能稳定性等问题，采用"源头控制"和"事后补救"相结合的方法，在基于信息熵的共存性能影响因子特征提取和建模、基于自适应路径损耗模型和多网干扰耦合分解的共存区域划分、基于协调忙音和适应度共享的合作共存和优化方面取得了原创性成果，进一步形成了一套面向ISM频段无线传感器网络合作共存和优化的理论和方法，在此基础上，设计和开发仿真平台和物理实验平台，验证合作共存和优化理论与方法的正确性和有效性，指导实际应用。

共存问题已成为无线传感器网络大规模应用的新挑战性难题。本项目从网络可用性和性能稳定性从发，采用“源头控制”和“事后补救”相结合的方法，以共存影响因子分析建模—共存区域划分—合作共存和优化方法设计—关键设备研制—仿真平台、实验系统开发和性能测试验证—技术标准转化为主线，对无线传感器网络共存问题开展了系统的研究：. （1）提出了基于关键影响因子特征的共存网络性能建模，考虑了多重影响因子的耦合特征和影响权重，避免了现有单一化性能模型约束单一和假设苛刻的问题，实验结果表明了模型的正确性。（2）提出了基于自适应路径损耗模型和多网干扰耦合分解的共存区域划分方法，避免了对共存干扰“考虑过多”或“考虑不全面”的问题，并实验验证了定界方法的可用性。（3）提出了全面覆盖异构共存网络和同构共存网络的共存算法，并针对共存网络的实时性和可靠性通信需求进行了优化，并构建了整套共存网络性能评价体系。分别包括：提出了基于协调忙音和适应度共享的合作共存和优化方法，解决WIA-PA网络与Wifi网络的异构共存问题，避免了共存网络的侦听盲区问题，扩大了多类共存网络的侦听范围和网络合作优化的信息量，优化了共存网络的性能；提出了基于时/频多样性的多网调度策略，解决WIA-PA网络与Zigbee-pro网络的同构共存问题；提出了基于认知无线电的频谱感知和信道汇合方法，极大避免共存网络之间的射频干扰，并分析了网络结构、网络规模和数据更新周期对于共存环境下的通信资源的影响，保证共存网络通信资源的高效利用。（4）研制了基于认知无线电的多协议共存网关设备以及现场设备。第三方权威机构测试结论表明，多协议共存网关设备的接入可靠性可达99%以上，最大功耗小于10瓦。（5）开发了面向WIA-PA/WiFi/Zigbee/WIA-FA共存的仿真平台、共存物理验证平台以及配套的网络管理软件，验证共存算法和装置的功能和性能。（6）上述共存需求和共存技术转化为IEC国际标准。. 基于上述研究内容和研究成果，在国内外权威期刊和国际会议上发表论文11篇，其中SCI检索论文3篇，EI检索论文7篇；申请国际和国家发明专利12项，其中申请美国和欧洲发明专利3项，申请国家发明专利9项；参与制定IEC国际共存标准两部（IEC 62657-1以及IEC 62657-2）；获得中国科学院沈阳自动化研究所知识创新工程冠名奖——技术创新奖1项。