2019年度擬提名陜西省自然科學獎項目公示內容

年度擬提名陜西省自然科學獎項目公示內容項目名稱非授權頻段下具有多業(yè)務支持能力的多址接入系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化提名者及提名意見提名者：陜西通信學會提名意見：該成果系統(tǒng)研究了非授權頻段下支撐多業(yè)務能力的多址接入技術。針對現(xiàn)有的單用戶多業(yè)務、多用戶多業(yè)務接入架構，揭示了系統(tǒng)最佳工作點的存在性和可達性，并分別提出了分布式自適應性能優(yōu)化策略LABS、免觸發(fā)的OMAX協(xié)議、OFDMA與全雙工結合的Fu-Plex協(xié)議。針對下一代網絡負載高和站點部署密集環(huán)境，研究了可靠帶內預約機制和空時頻資源塊與多業(yè)務流的映射機理，并分別提出了一種多步帶內信道預約機制、一種基于時間和空間的多業(yè)務流優(yōu)化策略。該項目成果材料齊全、規(guī)范，無知識產權糾紛，人員排序無爭議，符合陜西省自然科學獎提名條件。我會提名該項目申報陜西省自然科學二等獎。項目簡介非授權頻段指的是不需國家有關部門批準，即可在工業(yè)現(xiàn)場、科學研究、醫(yī)療應用以及人們的日常生活等場景使用的無線頻段，也被稱為ISM頻段。針對無線網絡非授權頻段中多業(yè)務服務質量需求差異性大、接入環(huán)境動態(tài)多變、以及接入方式靈活多樣的技術挑戰(zhàn)，該項目研究了多址接入技術中的若干基礎性科學問題，主要科學發(fā)現(xiàn)點包括：研究內容與科學發(fā)現(xiàn)1) 針對非授權頻段單用戶多業(yè)務接入架構，研究了隨機退避競爭窗與網絡吞吐量之間的內在關系，揭示了系統(tǒng)最佳工作點的存在性與可達性，并提出了一種分布式自適應性能優(yōu)化策略LABS。在這部分研究中，基于二維馬爾科夫鏈對最佳工作點進行了建模分析，從而明確回答了若干基礎性的理論問題。這些問題包括：多業(yè)務情況下系統(tǒng)最佳工作點是否存在？其唯一性如何？如何找到最佳工作點？最佳工作點所對應的系統(tǒng)最大通過量是多少？是否有可能僅僅通過判斷某些簡單的性能指標，就可以判斷出系統(tǒng)是否工作在最佳工作點處（或其附近）？進一步，基于對最佳工作點的分析，提出了一種分布式自適應性能優(yōu)化策略LABS。其基本思想是通過節(jié)點對空口接入環(huán)境的感知，自適應調整其退避窗尺寸，從而使系統(tǒng)鎖定在對應最大吞吐量的最佳工作點附近。這部分工作已被他引37次。值得指出的是，這部分工作是基于第一完成人于2003年在意大利博士后工作期間的“PerformanceAnalysisofanEnhancedIEEE802.11DistributedCoordinationFunctionSupportingServiceDifferentiation”工作，這是屬于國際上該領域工作中最早的研究成果之一，該論文目前已被他引80次。研究內容與科學發(fā)現(xiàn)2) 針對非授權頻段多用戶多業(yè)務接入架構，研究了接入用戶數(shù)、網絡時頻資源塊數(shù)與網絡吞吐量之間的內在關系，揭示了最大網絡吞吐量的存在性和可達性，并分別提出了一種基于免觸發(fā)的OFDMAMAC協(xié)議OMAX，和一種全雙工MAC協(xié)議FuPlex。OMAX的核心思想是將信道（全信道）進一步劃分為多個子信道。多個節(jié)點采用分布式的方式，并發(fā)地在全信道上執(zhí)行時頻二維快速退避，并且退避結束后在粒度更細小的資源塊級別完成信道接入。這樣一來，系統(tǒng)接入點在免除發(fā)送觸發(fā)幀的前提下，多個用戶即可以同時實現(xiàn)并發(fā)接入，提升了網絡吞吐量。基于二維馬爾科夫鏈，對OMAX進行了分析和建模，揭示了網絡最大吞吐量的存在性和可達性。此外，全雙工通信技術能夠使得多用戶同時上行和下行傳輸，從而提出了一種全雙工多址接入協(xié)議FuPlex。其基本思想是在非對稱全雙工情形下，設計了具有良好兼容性的全雙工多址接入協(xié)議，可以由下行鏈路首先發(fā)起傳輸，也可以由上行鏈路首先發(fā)起傳輸，并解決了其中的關鍵技術挑戰(zhàn)：上行鏈路隨機接入沖突問題。這部分工作已被他引34次。值得指出的是，基于所提出的免觸發(fā)幀機制所設計的OMAX協(xié)議的性能明顯優(yōu)于即將發(fā)布的WLAN標準IEEE802.11ax（Draft4.0版本）。所提出的全雙工多址接入協(xié)議FuPlex與現(xiàn)有IEEE802.11ax標準保持了良好的兼容性。鑒于此，我們正積極向下一代WLAN標準IEEE802.11be工作組推薦該部分研究成果，擬爭取將其納入到下一代WLAN國際標準中。研究內容與科學發(fā)現(xiàn)3) 針對非授權頻段高網絡負載和密集部署環(huán)境，研究了用戶間分組沖突概率、信道預約機制可靠性和網絡吞吐量之間的內在關系，揭示了可靠帶內信道預約機制的基本設計方法，并提出了一種基于多步帶內信道預約機制的接入策略。我們發(fā)現(xiàn)，國際上對信道預約機制的可靠性研究幾乎處于空白狀態(tài)。因此，在這部分研究中，針對提升預約可靠性，提出了多步信道預約機制，其核心思想是通過對特定時隙進行多次（即m>1）預約廣播，從而提高信道預約的成功率（即可靠性）。由于對將要發(fā)生的數(shù)據(jù)傳輸進行了多次廣播預約，因此在該預約時隙發(fā)生分組沖突或是信道傳輸差錯的可能性都會大大降低。進一步，對所提出的基于多步信道預約機制MAC協(xié)議（m-DIBCR）進行了深入的理論建模與分析，得出分組沖突概率和預約步數(shù)的解析關系式。理論分析和仿真性能驗證表明，多步信道預約機制可以在不帶來過多信令開銷的情況下，顯著提升信道預約的可靠性。這部分工作已被他引12次。值得指出的是，所提出的多步信道預約機制已經得到了華為公司相關技術團隊的青睞，擬進一步探索將其應用于具體產品中的可行性。研究內容與科學發(fā)現(xiàn)4) 針對非授權頻段高網絡負載和密集部署環(huán)境，研究了空時頻資源塊與多業(yè)務流間的優(yōu)化映射機理，揭示出了最優(yōu)業(yè)務調度策略的基本設計方法，并分別提出了一種基于時間維度和基于空間維度的多業(yè)務流優(yōu)化調度策略。首先，在時間維度方面，基于最優(yōu)止步理論對數(shù)據(jù)傳輸機會（TXOP）的到達數(shù)，與其業(yè)務調度策略之間的映射關系進行了建模分析，發(fā)現(xiàn)具有多種服務質量要求的業(yè)務調度策略存在最優(yōu)解，并進一步證明了該最優(yōu)解的唯一性，提出了基于時間閾值的單鏈路最優(yōu)止步業(yè)務調度策略。其次，在空間維度方面，基于最大團理論對并發(fā)多鏈路的空間干擾關系進行了建模分析，發(fā)現(xiàn)對于具有網絡最大吞吐量需求的并發(fā)多鏈路業(yè)務存在近似最優(yōu)解，提出了基于最大團的多鏈路并行傳輸?shù)臉I(yè)務調度策略，提升了網絡對多種服務質量要求的多業(yè)務支撐能力。這部分工作已被他引20次。值得指出的是，最大團并行多鏈路業(yè)務調度思想，在團隊與中電某研究所的合作項目中已經被實際應用于相關網絡產品中，其性能得到了合作方的認可。客觀評價4.1科學發(fā)現(xiàn)點1的客觀評價：在發(fā)表在IEEETransactionsonWirelessCommunications(Volume:12,Issue:1,January2013)的學術論文“ThroughputOptimizationofHeterogeneousIEEE802.11DCFNetworks”中，YayuGao等評價代表性工作1時指出“目前大多數(shù)建模分析無線局域網的工作均建立在求解復雜的非線性方程組的基礎上，導致較高的計算復雜度。同時這些方法也無法獲得有關系統(tǒng)工作點的閉合解析解，從而使得系統(tǒng)優(yōu)化工作難以開展。為此，代表性工作1提出了一種近似的工作點分析方法，得到了系統(tǒng)工作點的近似閉合表達式，使得在飽和狀態(tài)下通過優(yōu)化最小競爭窗來最大化系統(tǒng)吞吐量稱為可能”。在發(fā)表在IEEECommunicationsLetters(Volume:13,Issue:5,May2009)的學術論文“AsimpleadaptiveoptimizationschemeforIEEE802.11withdifferentiatedchannelaccess”中，JianbinMao等評價代表性工作1時指出“該工作基于相關的分析建模，針對網絡中的每一類節(jié)點，近似推導出了可以實現(xiàn)系統(tǒng)最大吞吐量的最佳退避競爭窗尺寸”。并將該工作作為此類研究的代表性工作加以引用。在發(fā)表在IEEETransactionsonWirelessCommunications(Volume:8,Issue:6,June2009)的學術論文“NoveladaptiveDCFprotocolusingthecomputationally-efficientoptimizationwiththefeedbacknetworkinformationforwirelesslocal-areanetworks”中，ShihYuChang等評價代表性工作1時指出“該工作發(fā)現(xiàn)了節(jié)點的最小競爭窗尺寸對網絡性能的顯著影響這一事實”。4.2科學發(fā)現(xiàn)點2的客觀評價：發(fā)表在TransactionsonNetworksandCommunications（Volume：6，Issue：4，August2018）中,2018,6(4):14】的學術文獻OptimizingTCPGoodputandDelayinnextgenerationIEEE802.11(ax)devices中，OranSharon等在評價OMAX協(xié)議時指出，OMAX協(xié)議是針對下一代WLAN的一個高效的OFDMA多址接入協(xié)議，并且以OMAX為該論文的基線方案來設計和對比所提的HMAC協(xié)議。發(fā)表在IEEECommunicationsSurveys&Tutorials（Volume：21，Issue：1，January2018）的學術文獻文獻“Areviewofsoftware-definedWLANs:Architecturesandcentralcontrolmechanisms”中，BehnamDezfouli等在評價OMAX協(xié)議時，詳細介紹了OMAX的協(xié)議流程，并且基于OMAX的體系框架，設計了更加具體的資源分配算法使得OMAX協(xié)議更加豐富。發(fā)表在IEEETransactionsonWirelessCommunications（Volume：17，Issue：6，September2018）的學術文獻“HybridMACprotocoldesignandoptimizationforfullduplexWi-Finetworks”中，北京大學的LingyangSong教授（IEEE高級會員）等在評價FuPlex時特別指出，F(xiàn)uPlex的重要貢獻在于上行鏈路隨機競爭的技術問題進行了分析并提出了解決方案。4.3科學發(fā)現(xiàn)點3的客觀評價：在發(fā)表在IEEE旗艦會議Communications(ICC)2012IEEEInternationalConference的學術論文“Distributedadaptivebackoffreservation(DABR)forIEEE802.11wirelessnetworks”中，SinaAsadallahi等評價代表性工作5和6時指出“該工作提出通過將后續(xù)分組的退避值攜帶在當前分組中提前廣播出去的預約方式，可以提升網絡的吞吐量”。并進一步指出“該工作適用于單跳的無線網絡中”。在發(fā)表在TheJournalofChinaUniversitiesofPostsandTelecommunications（Volume19,Issue2,April2012）的學術論文“Optimizedin-bandcontrolchannelwithchannelselectionschedulingandnetworkcodingindistributedcognitiveradionetworks”中，PingZHANG等將代表性工作5作為帶內信道預約的代表性方案，與其所提出的帶內信道預約方案NC-CSS進行了性能對比。通過性能對比，進一步肯定了采用帶內信道預約方法，將有利于提高頻譜利用率。4.4科學發(fā)現(xiàn)點4的客觀評價：在發(fā)表在通信領域JCR一區(qū)的IEEECommunicationsSurvey&Tutorials期刊上的論文“Decision-theoreticdistributedchannelselectionforopportunisticspectrumaccess:Strategies,challengesandsolutions”中，專門對最優(yōu)止步理論（optimalstoppingtheory）進行了綜述，并將代表工作7作為“典型的將最優(yōu)止步理論應用到車載容遲網絡中進行業(yè)務調度”的案例進行了介紹。在發(fā)表在IEEECommunicationLetters的論文AdaptiveCarry-StoreForwardSchemeinTwo-HopVehicularDelayTolerantNetworks中，作者基于代表工作7中的車載容遲網絡模型，提出了一種自適應的Carry-Store轉發(fā)方法。在發(fā)表在IEEETransactiononWirelessCommunications的論文“Across-tierschedulingschemeformulti-tiermillimeterwavewirelessnetworks”中，作者指出代表工作8提出的算法“利用了‘小型’毫米波網絡中的空間復用性”，但是沒有考慮多跳傳輸場景，并基于此考慮了“多層”（multi-tier）毫米波網絡中的調度問題。在發(fā)表在通信領域JCR一區(qū)的IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications期刊的論文“MillimeterWaveCommunicationsforFutureMobileNetworks”中，作者指出代表工作8為小型毫米波網絡“提出了有效的提升網絡容量的調度算法”。代表性論文專著目錄（不超過8篇）（按照表格所示欄目填寫支撐本項目重要科學發(fā)現(xiàn)的代表性論文專著詳細情況，不超過8篇，按重要程度排序。所列論文專著應公開發(fā)表2年以上即2017年4月30日以前公開發(fā)表，其他要求參見《提名工作手冊》相應內容。）序號論文專著名稱刊名作者年卷頁碼（xx年xx卷xx頁）發(fā)表時間通訊作者第一作者國內作者SCI他引次數(shù)他引總次數(shù)知識產權是否歸國內所有1AchievingOptimalPerformancebyUsingIEEE802.11MACProtocolwithServiceDifferentiationEnhancementsIEEETransactionsonVehicularTechnologyLIBo,RobertoBattiti,FANGYong2007年56卷3期1374-1387頁2007年05月01日BoLiBoLi李波，方勇1022是2AchievingOptimalPerformanceinIEEE802.11WirelessLANswiththeCombinationofLinkAdaptationandAdaptiveBackoffInternationalJournalofComputerNetworksLIBo,RobertoBattiti2007年51卷6期1574-1600頁2007年04月25日BoLiBoLi李波415是3AnOFDMAbasedconcurrentmultiuserMACforupcomingIEEE802.11ax2015IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConferenceWorkshopsQiaoQu,BoLi,MaoYangandZhongjiangYan2015年136-141頁2015年06月11日QiaoQuQiaoQu屈橋，李波，楊懋，閆中江727是4FuPlex:AFullDuplexMACfortheNextGenerationWLAN11thEAIInternationalConferenceonHeterogeneousNetworkingforQuality,Reliability,SecurityandRobustnessQiaoQu,BoLi,MaoYang,ZhongjiangYan,XiaoyaZuo,andQiaoyanGuan2015年1-7頁2015年12月01日MaoYangQiaoQu屈橋，李波，楊懋，閆中江，左曉亞37是5PerformanceAnalysisofanEfficientMACProtocolwithMultiple-StepDistributedIn-BandChannelReservationIEEETransactionsonVehicularTechnologyLIBo,LIWei,VALOISFabrice,UBEDAStephane,ZHOUHu,CHENYi2010年59卷1期368-382頁2010年01月01日BoLi李波李波，李偉，周虎，陳熠16是6m-DIBCR:MACProtocolwithMultiple-stepDistributedIn-BandChannelReservationIEEECommunicationsLettersLIBo,TANGWenzhao,ZHOUHu,ZHANGHui2008年12卷1期23-25頁2008年01月01日LiBo李波李波，唐文照，周虎，張輝16是7OptimaltrafficschedulinginvehiculardelaytolerantnetworksIEEECommunicationsLettersZhongjiangYan,ZhouZhang,HaiJiang,ZhongShen,andYilinChang2012年16卷1期50-53頁2012年01月01日ZhongjiangYanZhongjiangYan閆中江，張周，江海，沈中，常義林712是8AHeuristicCliqueBasedSTDMASchedulingAlgorithmforSpatialConcurrentTransmissioninmmWaveNetworks2015IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC)YanZhongjiang,LiBo,ZuoXiaoya,YangMao2015年1036-1041頁2015年06月17日ZhongjiangYanZhongjiangYan閆中江，李波，左曉亞，楊懋34是合計3699是主要完成人情況（不超過6人）姓名排名行政職務技術職稱工作單位完成單位對本項目貢獻李波1無教授西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學本項目重要科學發(fā)現(xiàn)點1和3的學術思想提出者、重要科學發(fā)現(xiàn)點2中代表作論文3的學術思想提出者；代表作論文1-2和5-6的第一作者，完成了這些論文中理論建模分析與推導、算法設計、性能驗證、論文撰寫與修改等主要工作；輔助完成了論文3-4和8的理論建模分析與推導、算法設計、性能驗證、論文撰寫與修改等工作；支撐本項目的2項國家自然基金面上項目的主持人。在科學發(fā)現(xiàn)點1中，研究了并揭示了單用戶多業(yè)務系統(tǒng)最佳工作點的存在性與可達性，提出了一種分布式自適應性能優(yōu)化策略LABS。在科學發(fā)現(xiàn)點3中，研究并揭示了高網絡負載和密集部署環(huán)境中，可靠帶內信道預約機制的基本設計方法，提出了一種基于多步帶內信道預約機制的接入策略。閆中江2無副教授西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學本項目重要科學發(fā)現(xiàn)點4的學術思想提出者；代表作論文7-8的第一作者，完成了這些論文中理論建模分析與推導、算法設計、性能驗證、論文撰寫與修改等主要工作；輔助完成了論文3-4的理論建模分析與推導、算法設計、性能驗證、論文撰寫與修改等工作。在科學發(fā)現(xiàn)點4（論文7-8）中，針對非授權頻段高網絡負載和密集部署環(huán)境，研究了空時頻資源塊與多業(yè)務流間的優(yōu)化映射機理，揭示出了最優(yōu)業(yè)務調度策略的基本設計方法，并分別提出了一種基于時間維度和基于空間維度的多業(yè)務流優(yōu)化調度策略。楊懋3無副教授西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學本項目重要科學發(fā)現(xiàn)點2中代表作論文4的學術思想提出者；代表作論文3-4的通訊作者，輔助完成了其中的理論建模分析與推導、算法設計、性能驗證、論文撰寫與修改等工作；輔助完成了論文8的理論建模分析與推導、算法設計、性能驗證、論文撰寫與修改等工作。在科學發(fā)現(xiàn)點2（論文3-4）中，針對非授權頻段多用戶多業(yè)務接入架構，研究了接入用戶數(shù)、網絡時頻資源塊數(shù)與網絡吞吐量之間的內在關系，揭示了最大網絡吞吐量的存在性和可達性，并分別提出了一種基于免觸發(fā)的OFDMAMAC協(xié)議OMAX，和一種基于全雙工的MAC協(xié)議FuPlex。屈橋4無無西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學本項目重要科學發(fā)現(xiàn)點2的學術思想的具體實施與實現(xiàn)者；代表作論文3-4的第一作者，完成了其中的理論建模分析與推導、算法設計、性能驗證、論文撰寫與修改等主體工作。在科學發(fā)現(xiàn)點2（論文3-4）中，針對非授權頻段多用戶多業(yè)務接入架構，研究了接入用戶數(shù)、網絡時頻資源塊數(shù)與網絡吞吐量之間的內在關系，揭示了最大網絡吞吐量的存在性和可達性，并分別提出了一種基于免觸發(fā)的OFDMAMAC協(xié)議OMAX，和一種基于全雙工的MAC協(xié)議FuPlex。主要完成單位情況（不超過3個）完成單位排名對本項目主要貢獻（限600字）西北工業(yè)大學1本項目所有完成人均隸屬于西北工業(yè)大學，本項目中的重要研究發(fā)現(xiàn)均是在西北工業(yè)大學完成的。完成單位對本項目的主要貢獻包括以下四個方面：項目資助：本項目前3位完成人：李波、閆中江、楊懋，依托西北工業(yè)大學，申請了國家自然基金項目等，其中包括支撐本項目的國家自然基金面上項目：國家自然科學基金面上項目“AdHoc網絡中基于分布式異步帶內信道預約機制的多址接入協(xié)議研究”，編號：60872045，時間：2009-2011。團隊人員保障：本項目第1完成人：李波教授，在本項目研究期間，在西北工業(yè)大學招收了相關的碩博士生人員，為保障項目團隊人員的穩(wěn)定性提供了有力保障。其中，本項目的第4完成人屈橋，即為李波教授的研究生（包括碩士和博士階段）。國際交流活動支持：完成單位對我們項目的國內外交流工作進行了有力的支撐，具體包括：本項目研究期間，依托完成單位，我們邀請了相關領域的國際學者、專家，開展了相關領域的國際交流，包括DajiQiao教授、LijunQian教授等；本項目研究期間，依托完成單位，我們參加了本領域重要的