无线自组织网络仿生学机理及其优化算法研究

Self-organization provides a suitable way for realizing a flexible deployment, high-performance maintanence, reliable service and cooperative optimization in heterogeneous convergence networks. Bio-inspired principles and approaches enable a high scalability, dynamic, flexibility and adaptivity in self-organized networks (SONs). However, the related study in the world is still in its beginning stage, and most of the fundamental theories as well as critical techniques are still focused on homogeneous rather than heterogeneous SONs. Therefore, the existing research results, in particular about the fundamental SON mechanisms, in this area are far from adequate to meet the customers' requirements of big volume of data traffic and ubiquitous services. In this project, critical theoretical problems and technical issues of SONs will be studied based on the fundamental principles of self-organization, and the main contents include: 1) fundamental SON mechanisms as well as optimization approaches in heterogeneous SON systems, and 2) high-efficiency synchronization algorithms design in large-scale SON systems, and 3) Approaches of division of labor and distributed resource sharing among network elements, and 4) the studies of swarm-intelligence inspired adaptive routing and load balancing algorithms and mechanisms. The research results in this project may significantly improve the performance of SON systems in terms of spectrum utilization, data throughput and load balancing capabilities, and therefore facilitate a better communications service for the customers.

自组织网络是实现异构融合网络灵活部署、高效运维、可靠服务与协同优化的重要途径。仿生学原理与方法为全面提升自组织网络的可扩展性、动态性、灵活性、自适应性提供了关键的实现手段。然而，目前国内外学术界在该领域的研究尚处于开始阶段，现有基础理论与关键技术大多是针对解决同构自组织网络及其特定问题，而对异构自组织网络基础理论、尤其是普适性组网机理研究不足，研究成果远不能满足人们对海量数据与泛在业务的极大需求。本项目将基于自组织网络的仿生学原理，重点研究并解决异构自组织网络中关键理论和核心技术问题，包括：①异构自组织网络组网普适性机理与优化方法；②大规模自组织网络快速高效同步算法设计；③网络节点分工协作与分布式资源共享；④基于多生物群智的自适应路由算法与负载均衡机制研究。项目研究成果将有效地提高自组织网络的频谱资源利用率、数据吞吐量和负载均衡能力，显著降低网络数据传输延迟，从而更好地满足用户的通信需求。

未来无线网络的灵活组网、资源优化、高效路由和可靠服务将成为通信网络研究的重点。具有自组网、自配置、自优化、自愈合、自适应环境感知等特点的自组织网络是提升通信网络部署、运维和服务整体能力的必然技术趋势。本项目主要研究基于仿生学的自组织网络关键理论与核心技术，将重点围绕异构自组织网络通用组网机理以及同步、资源管理和路由等关键技术展开深入研究，从而有效提高未来自组织网络的动态性、可扩展性、通信质量与数据传输能力等指标。执行期内项目组成员按照申请书计划顺利完成各项研究任务。在仿生学机理方面，对无线自组织网络仿生学原理进行深入分析和综合抽象，形成趋整归元、功能导向目标函数归一、角色可易和同态向心协调性四个基本机理，并进一步揭示了自组织网络临界节点密度下连通概率的双峰形态分布，研究了异构类型资源的虚拟化和广义互易，网元间的基于数据压缩的信息交换，随机的局部网元目标导向对整体网络目标函数的影响及其在网络规划和优化中的应用等。在时间同步方面，提出了不同信道条件和较低信噪比条件下的准确的节点间同步算法，设计和实现了一种无线自组织网络时间同步性能测量平台。在资源共享和优化管理方面，分别从时隙资源、空间资源和功率资源方面进行了研究和优化，提出媒体接入控制协议的时隙资源的分布式优化，提出面向5G异构网络的功率分配方案，在给定服务质量和跨层干扰限制的条件下增强了网络容量和功率效率等。在负载均衡和路由方面，提出了基于多射频功率等级的节点定位技术以支持地理位置路由，提出了全向和定向的无线自组织网络基于虚拟力的覆盖增强算法，提出了基于蚁群优化和车辆轨迹大数据的移动自组织网络的最常见路径推断技术。在仿真验证平台方面，项目组搭建了硬件的无线自组织网络平台，软件仿真平台和数据可视化平台。项目执行期间, 在本项目的资助下共计发表论文12篇，申请国家发明专利12项，其中已授权专利4项；培养了多名博士/硕士研究生。