面向弹性业务的动态频谱共享无线通信多尺度处理技术和跨层优化研究

拟提供一种动态频谱共享无线通信新技术，针对因多个主用户独立随机占用信道导致的高度动态和非平稳的网络条件，用多时间尺度处理、以传输层为中心的多层优化配合，来支持QoS可伸缩的从用户业务。研究动态频谱共享时特有的信道中断，研究包括传输层在内的各层优化配合，以合理的开销代价达到最优的资源汇聚效果和网络承载能力；研究高动态和非平稳网络条件下的端到端传输控制，以适变机制和自适应能力来保证分组的可靠传输；研究QoS协商机制和信源码率控制技术，以信源编码与网络条件的配合来支持QoS可伸缩业务的不间断传输。将提供三层嵌套的频谱资源模型，包括随主用户占用而通断的无线衰落信道和多信道带宽聚合的物理层子模型、点到点链路带宽子模型、端到端多跳路径带宽子模型，可以整体或分别使用。研究结果将为动态频谱共享无线通信向实用化方向推进提供全局性深入思考、整体的机制优化、针对性处理技术，以及典型应用场景下的适用性和性能评价。

基于无线环境感知的频谱资源共享技术是解决频谱资源短缺和利用率低下的根本途径。当授权用户（主用户）未占用信道时，非授权用户（次用户）进行机会式通信，从系统级的角度提高整体频谱利用率。其技术挑战在于：要同时实现对主用户传输的保护和对次用户业务的服务质量的支持，而频谱因主用户占用已碎片化和高度动态化。只有跨多层的和多尺度的解决方案才能有效解决上述难题。特别需要传输层技术和以传输层为中心的系统设计，因为传输层对系统整体性能的影响比下面的网络层、数据链路层、物理层更为直接和明显。但以往研究集中在下三层。. 本项目着重研究认知无线网络传输层技术和以传输层为中心的系统设计，以完善现有技术，构建较为完整的技术体系。首先深入分析了认知无线网络传输层、网络层、数据链路层、物理层之间复杂的相互影响。提出了传输层准入控制和TCP有效吞吐量、数据链路层队列等3个普适的性能模型，反映了各种因素对性能的影响，包括主用户占用和无线传播等外部环境条件、次用户业务的QoS要求等应用层需求、认知系统各层的技术配置和参数取值、频谱感知误差和接入方式等多种机制作用、上下层不同时间尺度的处理/操作过程之间的交互作用等。进而得出了多种主要性能参数的数学表达。运用排队论、优化理论等数学工具进行了以传输层为中心的跨多层的联合设计和优化，建立了优化模型并导出其低复杂度求解方法。给出了性能模型的示范应用。基于这些模型和分析，提出了多种高效低复杂度的算法，包括准入控制方案设计方法、面向次用户稳定传输的路由和信道联合分配方法、面向主用户碰撞保护的路由和资源联合分配方法、硬件限制下的联合频谱感知和信道分配方法。. 这些工作为认知无线网络的系统设计和参数优化提供了系列理论模型、数学方法和实用算法，特别是提供了以传输层为中心的跨层设计和性能优化思路和方法，改进完善了现有理论体系和技术方法，促进认知技术和认知系统走向实用。.