“頂天立地”之間 暢通未來無線記 973 項目“認知無線網絡基礎理論與關鍵技術研究”

◎ 文/李 雪 封 成

“頂天立地”之間 暢通未來無線記 973 項目“認知無線網絡基礎理論與關鍵技術研究”

◎ 文/李 雪 封 成

隨著無線網絡的普及和發展，無線通信網絡逐漸深入到民眾的生產生活當中，給社會經濟和人民生活帶來了革命性的變化。中國4G牌照發放的有關消息總是能成功掀起業界的關注和消費者的熱議，甚至影響相關股票的浮沉。4G牌照為何“千呼萬喚始出來”？頻率分配問題是影響4G牌照發放的核心問題！

目前，網絡頻率資源緊張以及相互干擾已經成為影響無線網絡升級發展的首要制約瓶頸。如何開發更多的頻率以及更加高效地利用現有頻率，成為科研工作者必須面對的難題。由北京郵電大學張平教授牽頭、國內多所院校合作完成的 973 項目“認知無線網絡基礎理論與關鍵技術研究”目前已經結題，不僅提出了解決上述問題的新思路、新方法，而且還搭建了試驗驗證系統平臺，證明了認知無線網絡在提高頻譜利用效率方面的應用效果，并在異構網格協同方面取得了突破性成果。

在無線網絡的發展過程中，為了支持不同的業務應用，構建了很多體制不同、彼此獨立的無線網絡系統，雖然在一定程度上滿足了某些需求，但客觀上形成了多種異構無線接入技術并存的通信網絡格局，造成了眾多的“網絡孤島”。用戶無法根據無線環境和業務需求的動態變化獲得無縫而滿意的服務，無線網絡建設、運營管理也面臨著極大的困難。在日益復雜的電磁環境下，頻譜競爭日趨激烈，頻譜已經成為了一種異常寶貴的資源。在傳統 “條塊分割”的靜態頻譜使用政策下，無線通信的頻譜資源“短缺”與“浪費”并存。其原因在于：靜態的頻譜規劃體制與動態的頻譜利用方式之間不匹配，造成無線頻譜規劃緊張，而使用率低下。突破原有網絡設計思想，為系統引入適變性，設計出全新的認知無線網絡體系結構及相關機制，是解決這些問題的科學方法。

項目目標：以創新為中長期前沿技術提供理論基礎和技術支撐

該項目為國家中長期信息領域的若干前沿技術和重大專項研究提供堅實的理論基礎。項目從認知無線網絡容量分析入手，設計了以適變性為特征的認知無線網絡體系結構；構建多域環境認知的基礎理論與方法；建立認知無線網絡自主管理與控制的關鍵技術；搭建認知無線網絡驗證演示系統；最終實現頻譜高效利用和異構網絡融合目標。

項目在基礎理論與關鍵技術方面，取得了一批具有原創性的研究成果并達到國際先進水平，面向ITU、IEEE、3GPP 等 國 際 標 準 化組織形成了認知無線網絡的一系列具有自主知識產權的國家、國際標準，提高了我國在該研究領域的國際地位，并且解決了體系結構的適變性、多域環境的認知性、控制與決策的自主性等三個科學問題：

一是認知無線網絡體系結構的適變性問題。以適變性為特征的體系結構是認知無線網絡的核心問題。傳統靜態封閉的網絡結構嚴重制約無線網絡的發展，認知無線電的出現已使該問題得到初步緩解，然而，當前認知與控制信息混合承載的模式，制約了無線網絡智能化水平的進一步提高。為了解決這些問題，該項目首先從認知信息理論出發，獲得了認知多接入信道容量增益的外界和內界，揭示了主、次網絡容量互不影響且服從尺度定律的一般規律，理論上證明通過認知可以顯著提升網絡容量。基于此，提出“集中管理+分布控制”的兩層信令控制體系，支持靜態與動態相結合的適變體系結構；通過認知導頻信道傳遞認知流，實現異構融合，有效減輕信令開銷負擔；分層異構的網絡架構在保證網絡覆蓋的前提下，可使控制信道開銷減少，能夠有效地提升網絡資源的利用效率和網絡容量。

二是無線網絡多域環境的認知性問題。無線網絡多域環境的認知性問題是認知無線網絡的基礎問題。如何實現認知信息的海量攝取、認知信息的表征度量、認知信息的傳遞以及認知信息的挖掘利用，是必須解決的重要問題。該項目組面向多域認知環境，提出基于熵的認知信息度量與表征方法，多域協同的認知信息獲取方法與技術，認知信息準確有效傳遞的認知導頻信道技術，有效解決多域認知信息的獲取、表征、傳遞、利用的基礎理論與科學方法，實現了由單域認知向多域認知的飛躍。

三是認知無線網絡管理與控制的自主性問題。認知無線網絡管理與控制的自主性是認知無線網絡的關鍵。針對如何充分利用認知所獲取的多域環境信息、如何實現資源共享、環境適變和異構網絡融合等需求，通過構建資源矢量空間模型，提出自主管理與控制模型并設計認知無線網絡自主傳輸機制，實現資源的智能、動態、優化管理，顯著提升認知無線網絡資源利用效率、提升網絡容量，是認知無線網絡實現的最終目標。

驗證演示平臺：以創新滿足國家需求、產業需求和國際需求

該項目組研發的認知無線網絡驗證演示平臺符合國家需求、產業需求、國際需求。在國家需求層面：需要為 IMT 系統找尋更多頻譜資源，頻譜資源需要科學合理分配及高效利用，需要滿足異構網絡中多系統共存的條件及指標，驗證異構網絡融合與協作；在產業需求層面：需要驗證認知無線網絡核心理論、關鍵技術與方法，探究認知無線網絡新技術是否符合產業發展趨勢，指明認知新技術如何影響移動通信產業鏈，推動認知新技術國家標準的制定；在國際影響力層面：需要彰顯我國在認知無線網絡領域技術的實力，提高我國在國際標準制定中的話語權，構建符合國際標準的認知無線網絡驗證演示平臺。因此，項目組設計并開發了基于 TD-LTE的認知無線網絡驗證演示平臺，實現頻譜高效利用及異構網絡融合，對項目所提出的理論、關鍵技術進行驗證，并推動產業化進程。

在該項目中，驗證演示平臺首次提出了在TD-LTE蜂窩系統中添加認知功能的方法，其核心技術指標達到了國際先進水平；創新性地提出頻譜檢測與多域認知數據庫結合方案和動態頻譜資源管理方案；并且，驗證演示平臺有效推動了頻譜的高效利用技術，推動軍民系統頻譜共用和多系統共存研究，推動了我國TD-LTE產業發展，為我國贏得更多國際話語權。

項目由首席科學家北京郵電大學張平教授主持，聯合本領域國內八所科研院校組成項目團隊，經過五年合作研究，共出版專著 17本，發表論文 1039 篇，其中高質量 SCI論文 290 篇。申請發明專利 335 項，其中授權專利 125 項。共提交國內提案 20 篇，國際提案 45 篇，項目在認知領域的 ITU 提案中占中國提案總數的 90% 以上，占國際總提案數的 20% 左右。

基于該項目研究成果，項目組共獲國內外獎項20余項，包括：國家技術發明獎二等獎1項，國防科技進步二等獎1項，國家科學技術進步一等獎1項、二等獎2項等。由張平教授領導的團隊榮獲國家自然科學基金委“創新研究群體”稱號，榮獲教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”稱號，培養出中國工程院院士1名，英國工程技術學會會士 (IET Fellow)1 名， 長 江 學者特聘教授1名，國家杰出青年1名，國家優秀青年1名，教育部新世紀優秀人才3名，博士后5名，博士研究生 203 名。