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2007-2011代表性成果二
2013-04-17 17:43 ISN 未知   (已浏览:)

代表性成果二:安全的认知无线自组织网络

自组织网络是一种没有预定的基础设施支撑的自组织、可重构的多跳无线网络。该网络能够感知外部环境,通过对外部环境的理解、学习和预测,实时调整通信网络的内部配置,智能地适应环境的变化。认知自组织网络是一个复杂的系统,目前对它的研究和应用已发展成为通信领域的一个独立的分支,人们希望通过实现认知自组织网络的自组织特性使分布式无线网络具有更灵活更智能的组网方式,达到提升网络性能、满足人们日益增长的通信需求的目的。自组织网是国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)前沿技术中的重要研究领域之一,也是国家973、863计划、国家移动通信重大专项、国家自然科学基金支持的重点研究方向。

研究目的是探索自组织网络资源联合管理的理论和方法,实现动态网络环境下资源的高效利用。通过引入可能的无线新技术和新方法,解决无线自组织网络中资源精确感知和高效使用与动态网络环境间的矛盾、用户的普遍接入需求与安全高效接入间的矛盾、规模化网络发展趋势和端到端QoS保障间的矛盾,有效提升网络自组织自由度及自组织能力,提高无线自组织网络的网络容量。利用新型的支持大规模(100-1000个节点)无线自组织网络(如无线传感器网络等)的路由协议和多址接入协议等,灵活地为用户提供多媒体和无线互联网应用的网络平台;为下一代移动通信系统标准和宽带战术互联网的构建提供必要的技术支撑。

本成果是在973课题:“智能的动态网络资源管理模型与控制机制研究”,国家863课题:“认知无线电技术”“大规模无线自组织网络新型路由协议”,国防预研项目:“移动自组织网络”,国家自然科学基金项目:“高动态环境下分布式无线网络的拓扑控制技术”、“适应于MIMO链路及协同通信技术的大规模网络路由技术”,新一代移动通信重大专项项目:“无线局域网与蜂窝移动通信网络融合技术研究与验证”、“IMT-Advanced新型无线网络技术研发”、“传感器网络电磁频谱监测关键技术研究”及实验室自主课题“基于认知的无线自组织网络关键技术研究”、“会聚无线网络安全架构及扩展应用研究和标准化”等课题的支持下完成的。
 
(1)主要的科技创新贡献
A.提出了高精度网络资源感知和高效利用方法

建立了多维资源的表征体系和管控体系,形成了资源利用的新方法和协议,提升了无线接入系统的环境认知能力、资源高效利用能力和自适应动态传输能力,有效地解决了动态可变无线接入环境下网络资源的不连续性(不可流动性)和网络传输的瓶颈(资源利用的低效性)问题。针对无线接入系统的环境适变性问题,首次将空域概念引入到认知无线电技术领域,发明了空域干扰温度估计和信号识别方法、基于多维资源表征的动态管控方法,在实验室环境下频谱利用率平均可提升约30%;研制了“电磁频谱监测接收机”,可实现无线信号的监测与管理、宽频带电磁频谱的监测接收;发明了网络割点(关键节点)的判定定理和多跳接入网络的关键节点探测方法,填补了图论中割点判定方法的空白。在400个节点的网络规模情况下,可保证探测开销降低44%的同时平均探测准确度提高25%,有效解决了探测精度和探测开销之间的矛盾;在传感器网络定位方面,应用凸优化松弛成功求解基于到达时间差(TDOA)、到达时间差和到达频率差(FDOA)以及基于能量的非线性非凸未知辐射源定位问题,定位性能接近理论极限Cramer-Rao Bound(CRB)。针对无线接入系统资源高效利用效率问题,发明了基于认知的 OFDM 资源分配方法、基于空域资源的 MIMO 传输方法,提出的基于斯式博弈的动态频谱共享算法与经典的纳什博弈均衡解在功率效率上有近66.7%的提升。
B.发明了安全高效的无线接入方法,主导了无线局域网安全接入及架构标准的制定

发明了增强型分布式竞争控制机制,拓展了无线局域网的协议。在对认知无线电领域基础方法研究的基础上,构建了基于无线局域网的认知无线接入系统(如下图所示)。该系统可以支持多个独立的无线接入系统的高效运营,可有效地拓展 WLAN 的工作频段,实现频谱资源动态共享、干扰的避让。在典型的环境下,可以将频谱利用率提高5-10倍。该研究成果填补了在无线局域网领域实现认知无线接入技术的空白。
 

认知无线接入演示系统

在国际安全技术标准体系中,实体鉴别系列技术是最为基础和重要的共性技术。我们发明了三元对等鉴别机制(TePA),采用在线可信第三方的实体鉴别机制,通过五次传递流程,实现实体间的双向身份鉴别,有效阻止不符合安全要求的终端访问网络,避免了终端接入不符合安全要求的网络。可有效解决通信前密钥交换问题和简化密钥规模管理的优势,对大规模网络部署和管理具有重要意义,为有效解决无线网络安全领域普遍存在的网络安全接入问题提供了理论基础。

三元对等鉴别(TePA)于2010年6月1日获国际标准化组织ISO/IEC正式批准发布为国际标准(ISO/IEC 9798-3:1998/Amd.1:2010 Information technology - Security techniques-Entity authentication-Part3:Mechanisms using digital signature techniques-Amendment 1: Mechanisms involving an on-line trusted third party)。这是在信息安全基础共性技术领域我国提交并获通过的第一个国际标准,也是过去十年里,全球范围内在实体鉴别-非对称机制领域发布的惟一新技术标准。
C.提出了大规模自组织网络的新型路由技术并构建了验证系统

首次将小世界理论与协同通信技术结合,实现了支持1000个节点规模以上的无线自组织网络新型路由协议,将网络的平均路径长度从减少到N为网络节点数),突破了无线自组织网络大规模化发展的技术瓶颈;有效利用MIMO技术在自组织网络自组织自由度方面带来的改善及对网络自组织能力的提升,提出了基于隐式分区的双环路由协议,在获得MIMO系统的分集和复用增益的前提下确保了路由协议对网络规模化发展的支持。在400个节点环境下,吞吐量性能相对与经典单区域路由协议(ZRP)有4.29倍的增益。构建了基于高速无线局域网的高性能自组织网络实验演示系统,在资源感知、网络自组织等功方面取得了重大突破,使移动自组织网络更加适用于未来移动通信系统,为新一代的通信系统提供必要的技术支撑。同时还可以有效地推动军用移动通信及战场多媒体信息网络平台的发展进程。
 

大规模自组织网络验证系统

 
(2)国内外影响的主要证据
A. 完成了国家863计划项目“认知无线电技术”和“大规模无线自组织网络新型路由协议”、国防预研项目“移动自组织网络”、国家自然科学基金项目“高动态环境下分布式无线网络的拓扑控制技术”、新一代移动通信重大专项项目“无线局域网与蜂窝移动通信网络融合技术研究与验证”和“IMT-Advanced新型无线网络技术研发”等课题。
B. 获陕西省科学技术一等奖1项。
C. 授权国家发明专利24项。
D. 在国内外重要学术期刊上发表论文160篇,其中SCI论文32篇。

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