“顶天立地”之间 畅通未来无线记 973 项目“认知无线网络基础理论与关键技术研究”

◎ 文/李 雪 封 成

“顶天立地”之间 畅通未来无线记 973 项目“认知无线网络基础理论与关键技术研究”

◎ 文/李 雪 封 成

随着无线网络的普及和发展，无线通信网络逐渐深入到民众的生产生活当中，给社会经济和人民生活带来了革命性的变化。中国4G牌照发放的有关消息总是能成功掀起业界的关注和消费者的热议，甚至影响相关股票的浮沉。4G牌照为何“千呼万唤始出来”？频率分配问题是影响4G牌照发放的核心问题！

目前，网络频率资源紧张以及相互干扰已经成为影响无线网络升级发展的首要制约瓶颈。如何开发更多的频率以及更加高效地利用现有频率，成为科研工作者必须面对的难题。由北京邮电大学张平教授牵头、国内多所院校合作完成的 973 项目“认知无线网络基础理论与关键技术研究”目前已经结题，不仅提出了解决上述问题的新思路、新方法，而且还搭建了试验验证系统平台，证明了认知无线网络在提高频谱利用效率方面的应用效果，并在异构网格协同方面取得了突破性成果。

在无线网络的发展过程中，为了支持不同的业务应用，构建了很多体制不同、彼此独立的无线网络系统，虽然在一定程度上满足了某些需求，但客观上形成了多种异构无线接入技术并存的通信网络格局，造成了众多的“网络孤岛”。用户无法根据无线环境和业务需求的动态变化获得无缝而满意的服务，无线网络建设、运营管理也面临着极大的困难。在日益复杂的电磁环境下，频谱竞争日趋激烈，频谱已经成为了一种异常宝贵的资源。在传统 “条块分割”的静态频谱使用政策下，无线通信的频谱资源“短缺”与“浪费”并存。其原因在于：静态的频谱规划体制与动态的频谱利用方式之间不匹配，造成无线频谱规划紧张，而使用率低下。突破原有网络设计思想，为系统引入适变性，设计出全新的认知无线网络体系结构及相关机制，是解决这些问题的科学方法。

项目目标：以创新为中长期前沿技术提供理论基础和技术支撑

该项目为国家中长期信息领域的若干前沿技术和重大专项研究提供坚实的理论基础。项目从认知无线网络容量分析入手，设计了以适变性为特征的认知无线网络体系结构；构建多域环境认知的基础理论与方法；建立认知无线网络自主管理与控制的关键技术；搭建认知无线网络验证演示系统；最终实现频谱高效利用和异构网络融合目标。

项目在基础理论与关键技术方面，取得了一批具有原创性的研究成果并达到国际先进水平，面向ITU、IEEE、3GPP 等 国 际 标 准 化组织形成了认知无线网络的一系列具有自主知识产权的国家、国际标准，提高了我国在该研究领域的国际地位，并且解决了体系结构的适变性、多域环境的认知性、控制与决策的自主性等三个科学问题：

一是认知无线网络体系结构的适变性问题。以适变性为特征的体系结构是认知无线网络的核心问题。传统静态封闭的网络结构严重制约无线网络的发展，认知无线电的出现已使该问题得到初步缓解，然而，当前认知与控制信息混合承载的模式，制约了无线网络智能化水平的进一步提高。为了解决这些问题，该项目首先从认知信息理论出发，获得了认知多接入信道容量增益的外界和内界，揭示了主、次网络容量互不影响且服从尺度定律的一般规律，理论上证明通过认知可以显著提升网络容量。基于此，提出“集中管理+分布控制”的两层信令控制体系，支持静态与动态相结合的适变体系结构；通过认知导频信道传递认知流，实现异构融合，有效减轻信令开销负担；分层异构的网络架构在保证网络覆盖的前提下，可使控制信道开销减少，能够有效地提升网络资源的利用效率和网络容量。

二是无线网络多域环境的认知性问题。无线网络多域环境的认知性问题是认知无线网络的基础问题。如何实现认知信息的海量摄取、认知信息的表征度量、认知信息的传递以及认知信息的挖掘利用，是必须解决的重要问题。该项目组面向多域认知环境，提出基于熵的认知信息度量与表征方法，多域协同的认知信息获取方法与技术，认知信息准确有效传递的认知导频信道技术，有效解决多域认知信息的获取、表征、传递、利用的基础理论与科学方法，实现了由单域认知向多域认知的飞跃。

三是认知无线网络管理与控制的自主性问题。认知无线网络管理与控制的自主性是认知无线网络的关键。针对如何充分利用认知所获取的多域环境信息、如何实现资源共享、环境适变和异构网络融合等需求，通过构建资源矢量空间模型，提出自主管理与控制模型并设计认知无线网络自主传输机制，实现资源的智能、动态、优化管理，显著提升认知无线网络资源利用效率、提升网络容量，是认知无线网络实现的最终目标。

验证演示平台：以创新满足国家需求、产业需求和国际需求

该项目组研发的认知无线网络验证演示平台符合国家需求、产业需求、国际需求。在国家需求层面：需要为 IMT 系统找寻更多频谱资源，频谱资源需要科学合理分配及高效利用，需要满足异构网络中多系统共存的条件及指标，验证异构网络融合与协作；在产业需求层面：需要验证认知无线网络核心理论、关键技术与方法，探究认知无线网络新技术是否符合产业发展趋势，指明认知新技术如何影响移动通信产业链，推动认知新技术国家标准的制定；在国际影响力层面：需要彰显我国在认知无线网络领域技术的实力，提高我国在国际标准制定中的话语权，构建符合国际标准的认知无线网络验证演示平台。因此，项目组设计并开发了基于 TD-LTE的认知无线网络验证演示平台，实现频谱高效利用及异构网络融合，对项目所提出的理论、关键技术进行验证，并推动产业化进程。

在该项目中，验证演示平台首次提出了在TD-LTE蜂窝系统中添加认知功能的方法，其核心技术指标达到了国际先进水平；创新性地提出频谱检测与多域认知数据库结合方案和动态频谱资源管理方案；并且，验证演示平台有效推动了频谱的高效利用技术，推动军民系统频谱共用和多系统共存研究，推动了我国TD-LTE产业发展，为我国赢得更多国际话语权。

项目由首席科学家北京邮电大学张平教授主持，联合本领域国内八所科研院校组成项目团队，经过五年合作研究，共出版专著 17本，发表论文 1039 篇，其中高质量 SCI论文 290 篇。申请发明专利 335 项，其中授权专利 125 项。共提交国内提案 20 篇，国际提案 45 篇，项目在认知领域的 ITU 提案中占中国提案总数的 90% 以上，占国际总提案数的 20% 左右。

基于该项目研究成果，项目组共获国内外奖项20余项，包括：国家技术发明奖二等奖1项，国防科技进步二等奖1项，国家科学技术进步一等奖1项、二等奖2项等。由张平教授领导的团队荣获国家自然科学基金委“创新研究群体”称号，荣获教育部“长江学者和创新团队发展计划”称号，培养出中国工程院院士1名，英国工程技术学会会士 (IET Fellow)1 名， 长 江 学者特聘教授1名，国家杰出青年1名，国家优秀青年1名，教育部新世纪优秀人才3名，博士后5名，博士研究生 203 名。