河北聯合大學輕工學院 QINGGONG COLLEGE HEBEI UNITED UNIVERSITY 畢畢業業設設計計說說明明書書 111 論文題目 論文題目 小型認知無線網絡通信協議的制定與設計小型認知無線網絡通信協議的制定與設計 2013 年 05 月 30 日 摘 要 認知無線電網絡具有動態 靈活 智能地使用頻譜資源 提高頻譜利用率 的特點 其網絡結構和協議體系的設計是實現上述網絡功能的關鍵 現有基于 認知無線電技術的網絡架構主要有美國的 CORVUS 系統 基于 IEEE 802 22 的 無線局域網 WRAN 和支持多信道多接口的無線 Mesh 網絡 協議體系有 CORVUS 協議體系 軍用的 XG 系統協議及 WRAN 協議等 提出了一種小型認知無線網絡的頻譜協同感知方法 并在此基礎上設計了 一種小型認知無線網絡的通信協議 通過協議程序復雜度的角度切入 對該協 議進行了分析 同其他典型協議相比較 該協議通過采用集中式控制 分布式 感知 點對點通信的機制 盡可能地做到了揚長避短 使系統的整體穩定性和 復雜度得到了兼顧 關鍵詞 認知無線電 網絡架構 網絡協議 認知無線網絡 協同感知 通 信協議 程序復雜度 Abstract Cognitive radio networks have the abilities of utilizing spectrum dynamically agilely and intelligently and improving the efficiency of spectrum usage Consequently both the protocol and architectural designs for cognitive radio networks is very crucial The network architectures in existing systems included contents are CORVUS system introduced in America Wireless Regional Area Network WRAN based on IEEE 802 22 as well as the wireless Mesh network supporting multi channel and multi interface related network protocols are of CORVUS system the XG system for military applications and WRAN A cooperative spectrum sensing method of small scale cognitive wireless network is proposed On this basis a communication protocol of small scale cognitive wireless network is designed Starting from the program complexity this paper analyzes and evaluates the communication protocol Compared with other typical protocols the performance of this protocol is improved by using the mechanism of centralized control distributed sensing and point to point communication The stability and complexity of the system are taken into account Keywords cognitive radio network architecture network protocol cognitive wireless network collaborative awareness communication protocol program complexity 目 錄 摘 要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1 1 認知無線電的產生背景和特征 1 1 1 1 CR 技術的產生 2 1 1 2 CR 特征 2 1 1 3 認知無線電與軟件無線電之間的關系 3 1 1 4 CR 當前的發展與標準 3 1 2 認知無線網絡的研究背景 4 第 2 章 認知無線網絡的簡介 5 2 1 認知無線網絡的概念 5 2 2 認知無線網絡的特點 5 2 2 1 認知階段 6 2 2 2 學習階段 6 2 2 3 決策和調整階段 6 第 3 章 認知無線網絡的體系結構 8 3 1 目前提出的具有代表性的認知無線網絡 CRN 體系結構 8 3 2 網絡架構 8 3 2 1 CORVUS 系統 9 3 2 2 無線區域網 9 3 2 3 支持多信道多接口的無線 Mesh 網絡 9 3 3 協議體系 10 3 3 1 CORVUS 的協議體系 10 3 3 2 XG 項目的協議體系 11 3 3 3 WRAN 的協議體系 13 3 4 CRN 網絡動態接入 15 3 4 1 CRN 中 PHY 層中的關鍵技術 16 3 4 2 CRN 中 MAC 層中的關鍵技術 17 第 4 章 小型認知無線網絡的關鍵技術 18 4 1 引言 18 4 2 認知無線網絡的頻譜感知 18 4 2 1 頻譜感知的功能和特點 18 4 2 2 常用頻譜感知方法 19 4 3 認知無線網絡的頻譜分配 20 4 3 1 基于網絡結構的頻譜分配 20 4 3 2 基于合作方式的頻譜分配 21 4 3 3 基于接入方式的分類 21 4 4 短距離無線網絡的特點和實例 22 4 4 1 短距離無線網絡的特點 22 4 4 2 典型的短距離通信網絡 22 4 5 小型認知無線網絡的特點和研究重點 22 4 5 1 小型認知無線網絡的特點 23 4 5 2 小型認知無線網絡設計的研究重點 23 第 5 章 小型認知無線網絡通信協議的設定 24 5 1 認知無線網絡的環境感知方法 24 5 1 1 基于單節點的頻譜檢測方法 24 5 1 2 協同感知方法 24 5 2 認知無線網絡的通信協議設計 25 5 2 1 協議層次架構 25 5 2 2 控制節點的工作時序 25 5 2 3 認知節點的工作時序 26 5 3 其他典型通信協議架構形式 27 結 論 29 參考文獻 30 謝 辭 31 第 1 章 緒論 無線頻譜資源的緊缺是限制無線移動通信與服務應用持續發展的瓶頸 作 為一種智能的革命性頻譜共享技術 認知無線電 Cognitive Radio CR 被稱 為未來最熱門的無線技術 它通過對授權頻譜進行 二次利用 為緩解頻譜資 源缺乏與日益增長的無線業務需求之間的矛盾開辟了一條新的途徑 對有效解 決有限的無線資源條件下提高頻譜資源利用率這一通信難題有著優越的和不可 替代的意義 認知無線網絡就是認知無線電的網絡化 其本質在于將認知無線電的關鍵 技術環境感知 智能接入等應用于無線通信網絡的整體中去研究 認知無線網 絡能夠利用環境認知來獲取環境信息 通過對環境信息進行處理和學習做出智 能決策 并以此進行網絡重構 實現對無線環境的動態適應 1 1 認知無線電的產生背景和特征 認知無線電 Cognitive Radio CR 也被稱為智能無線電 從廣義上來說 是指無線終端具備足夠的智能或者認知能力 通過對周圍無線環境的歷史和當 前狀況進行檢測 分析 學習 推理和規劃 利用相應結果調整自己的傳輸參 數 使用最適合的無線資源 包括頻率 調制方式 發射功率等 完成無線傳 輸 認知無線電能夠幫助用戶自動選擇最好的 最廉價的服務進行無線傳輸 甚至能夠根據現有的或者即將獲得的無線資源延遲或主動發起傳送 認知無線電系統如圖1 1所示 無線環境 頻譜決策 頻譜感知 頻譜分析 頻譜空穴信息 圖 1 1 認知無線電系統 1 1 1 CR 技術的產生 通信手段的不斷進步 正是人類社會不斷進步的標志 從數千年前烽火臺的 出現 到現在3G網絡的普及 可以說 每一次通信手段的進步 都是人類社會進步 的里程碑 上世紀90年代 隨著無線通信被越來越多的應用在軍事 科研 社會生活的 各個領域 頻譜資源的使用和分配逐漸受到了國際組織和各國政府的重視 其有 限性和不可再生性也得到了廣泛的認可 在這個背景下 如何盡可能的有效利用 有限的頻譜資源 成為了一個備受關注的話題 另一方面 隨著電子技術的進步 數字通信技術也得到了長足的發展 這個時期正是GSM網絡在全球范圍內普及 的時期 數字無線業務需求連續數年大幅度增長 且已不限于語音通話業務 3G 網絡 UWB等技術的出現 正是為應對這種巨大的需求所產生的 在頻譜資源日益緊張和數字通信技術日益發達的大背景下 認知無線電技術 的產生 是歷史發展的必然選擇 自1999年 軟件無線電之父 Joseph Mitola 博士首次提出了CR的概念并 系統地闡述了CR的基本原理以來 不同的機構和 學者從不同的角度給出了CR的定義 其中比較有代表性的包括 FCC Federal Communications Commission 和著名學者Simon Haykin教授的 定義 FCC認 為 CR是能夠基于對其工作環 境的交互改變發射機參數的無線電 Simon Haykin 則從信號處理的角度出發 認為 CR是 一個智能無線通 信系統 它能夠感知外界環境 并使用人工智能技術從環境中學習 通過實時 改變某些操作參 數 比如傳輸功率 載波頻率和調制技術等 使其內部狀態適 應接收到的無線信號的統計性變化 以達到以下目的 任何時間任何地點的高 度可靠通信 對頻譜資源的有效利用 1 1 2 CR 特征 CR應該具備以下2個主要特征 1 認知能力 認知能力使CR能夠從其工作的無線環境中捕獲或者感知信息 從而可以標 識特定時間和空間的未使用頻譜資源 也稱為頻譜空洞 并選擇最適當的頻譜 和工作參數 這一任務通常采用圖1 1所示的認知環進行表示 包括3個主要的 步驟 頻譜感知 頻譜分析和頻譜判決 頻譜感知的主要功能是監測可用頻段 檢測頻譜空洞 頻譜分析估計頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性 頻譜判決根據 頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數據 2 重構能力 重構能力使得 CR 設備可以根據無線環境動態編程 從而允許 CR 設備采 用不同的無線傳輸技術收發數據 可以重構的參數包括 工作頻率 調制方式 發射功率和通信協議等 重構的核心思想是在不對頻譜授權用戶 LU 產生有害 干擾的前提下 利用授權系統的空閑頻譜提供可靠的通信服務 一旦該頻段被 LU 使用 CR 有 2 種應對方式 一是切換到其它空閑頻段通信 二是繼續使用 該頻段 但改變發射統率或者調制方案避免對 LU 的有害干擾 1 1 3 認知無線電與軟件無線電之間的關系 為了便于理解CR的基本原理 有必要將CR與軟件無線電 SDR 進行區分 根據電子與電氣工程師協會 IEEE 的定義 一個無線電設備可以稱為SDR的基 本前提是 部分或者全部基帶或RF信號處理通過使用數字信號處理軟件完成 這些軟件可以在出廠后修改 因此 SDR關注的是無線電系統信號處理的實現 方式 而CR是指無線系統能夠感知操作環境的變化 并據此調整系統工作參 數 從這個意義上講 CR是更高層的概念 不僅包括信號處理 還包括根據相 應的任務 政策 規則和目標進行推理和規劃的高層功能 一般來說認知無線電系統必須具備以下基本功能 一般來說認知無線電系 統必須具備以下基本功能 1 對無線環境的場景分析 包括空間電磁環境中干擾溫度的估計和頻譜 空穴的檢測 2 信道狀態估計及其容量預測 主要有信道狀態信息的估計 信道容量的 預測 3 功率控制和動態頻譜管理 1 1 4 CR 當前的發展與標準 當前 認知無線電技術已經得到了各界的關注 很多著名學者和機構都投 入到認知無線電相關技術的研究中 啟動了很多針對認知無線電的重要研究項 目 例如德國高校提出的頻譜池系統 美國加州大學Berkeley分校研究組開發 的COVUS系統 美國Georgia理工學院寬帶和無線網絡實驗室提出的OCRA項目 美國軍方DARPA的XG項目 歐盟的E2R 項目等 在這些項目的推動下 在基 本理論 頻譜感知 數據傳輸 網絡架構和協議等領域取得了一些成果 IEEE 為此專門組織了兩個重要的國際年會交流這方面的成果 目前 最引人關注的 是IEEE802 22工作組的工作 該工作組正在制訂利用空閑電視頻段進行寬帶無 線接入的技術標準 這是第一個引入認知無線電概念的IEEE技術標準化活動 2004年10月 IEEE正式成立IEEE802 22工作組 IEEE802 22別名稱為 Wireless Regional Area Network WRAN 無線區域網絡 該工作組的目的就 是使用認知無線電技術將分配給電視廣播的VHF UHF頻帶 北 美為 54MHz 862MHz 的頻率用作寬帶訪問線路 這是繼2002年實現民用的 UWB 之后又一全新的無線頻率應用技術 IEEE802 22將要制定的是無線通 信的物理層與MAC層規格 所設想的數據通信頻率為數Mbit 秒 數十Mbit 秒 電視轉播所用的頻率由于是比過去的無線LAN更低的頻帶 因此基站設備可覆 蓋的范圍很大 半徑超過40km 如果此目標得以實現 總計300MHz 400MHz 的頻帶將可用于室外寬帶通信 1 2 認知無線網絡的研究背景 所謂認知無線網絡 就是認知無線電的網絡化 其本質在于將認知無線電的 關鍵技術 環境感知 智能接入等 應用于無線通信網絡的整體中去研究 認知無線網絡能夠利用環境認知來獲取環境信息 通過對環境信息進行處理和 學習做出智能決策 并以此進行網絡重構實現對無線環境的動態適應 國際學術界和工業界對認知無線電技術的研究思路經歷了一個發展變化的 過程 即 由單純的 無線電 視角向 網絡與系統 的框架轉變 在傳統的 無線電 視角之下 認知無線電系統所要求的有意識的 可調整的 自動化 和自適應的特征 需要由 全能型 的無線收發信機 支持所有模式所有頻段 來偵測 發現并協商適合的工作頻率 波形及協議 然而 隨著研究工作的開 展與深入 這一傳統 無線電 視角逐漸暴露了局限性 所謂 全能型 收發 信機的實現成本 復雜度 功耗等因素使其在現實中很難實現 僅僅關注了無 線鏈路底層 而忽視了不同網絡節點之間的交互及協作 無法反映用戶業務與 應用對無線系統的影響與需求 所以 認知無線電的研究視角逐漸從無線鏈路 的底層功能擴展到了更高層次的協議和網絡設計 認知無線網絡 CRN 已逐漸 成為認知無線電未來研究和產業化方向的共識 在認知無線網絡的框架內 無 線網絡將根據其與周邊多維環境 網絡 協議 應用等 交互信息的情況 調整 其網絡特性 實現最優的系統性能 目前 歐美等發達國家和地區已經開始進 行認知無線網絡的網絡級行 為的研究和協議的制定 但是國內的研究仍然主要處于頻譜感知 頻譜決策等 分支學科研究階段 第 2 章 認知無線網絡的簡介 2 1 認知無線網絡的概念 隨著認知無線電的發展和深入研究 Motorola及Virginia Tech等公司提出了 無線認知網絡 Cognitive Radio Network CRN 的概念 他們認為無線認知網 絡是一種具有認知能力的網絡 能夠感知網絡當前的狀況 并根據當前的狀況 來計劃 決定并行動 也就是說可以自我配置來響應和動態自適應操作和環境 的改變 自我配置的主要功能組成是 自我意識和自動學習 通過具有網絡意識 的中間件和網絡各組成部分分布式交叉來實現 無線認知網絡能最大化操作者 的能力 認知無線電作為節點構成智能的認知無線網絡 是網絡的核心 2 2 認知無線網絡的特點 認知無線網絡是一種具有認知過程的網絡 它能分辨當前網絡狀態 然后 根據這些狀態進行規劃 決策和響應 網絡能在這些自適應過程中學習 并可 以將學到的知識用于以后的決策 最終目標都是為了實現端到端的性能 這個定義在認知方面與認知無線電的表述相似 兩者都廣泛地包含了許多 認知和學習的簡易模型 這個定義的關鍵是在于網絡層面和端到端的部分 如 果沒有網絡和端到端的視角 這個系統也許將成為認知無線電或者只是網絡中 的一層 而不是一個完整的認知無線網絡 這里的端到端指的是網絡所有元素 都參與了同一個數據流的傳播 而端到端的目標使得認知無線網絡有一個全網 范圍內的要求 這點使其與只在本地或者單元素范圍內自適應的方法區別開來 認知無線網絡應該將對網絡性能的觀察 或者代理觀察 作為決策處理過 程的輸入 然后將可作用于網絡中可調元素的一系列行為作為輸出 理想的情 況是 一個認知無線網絡應該具有前瞻性而不僅僅是反應式的處理 它應該在 問題出現之前就嘗試校正修整 此外 認知無線網絡的體系架構應該具有擴展 性和靈活性 以支持未來改善的網絡架構和新增的網絡元素 從而實現更高層 次的通信目標 認知集中在對無線環境域 網絡環境域和用戶域的多域認知上 完成對海量認知信息的獲取 為以后的學習 決策 調整階段提供信息輸入 學習階段主要是通過反饋環路分析行動對外界環境變化進行響應 逐步修正達 到最優的行動策略目的 決策和調整階段是針對認知信息和經驗學習 選擇最 優的行動決策并通過重配置方式進行相應參數的調整 這個階段涉及無線頻譜 資源的分配和管理 對異構無線網絡資源的聯合管理 期望得到資源的最大利 用效率 從而獲得系統性能的最大提升 為了實現這一目標 跨層設計可以通 過增加層間交互的方式對相應的協議層做出最優決策和調整命令 Self x利用其 自配置 自管理 自優化的特性對網絡進行實時監測和調整 2 2 1 認知階段 為了適應時變的無線信道環境 及時獲取網絡的狀態信息 認知無線網絡 需要借助認知技術 來實現無線資源的有效利用和網絡性能的整體提升 由于 未來必定是多種異構網絡共存的局面 用戶可以根據網絡的運行狀況來自主選 擇要接入的性能最佳的網絡 從而為用戶提供最好的端到端QoS Quality of Service 保證 認知為這一目標的實現提供了重要的手段 為了提高認知的效 率和完備性 充分認知環境的變化 認知域需要由傳統的單一無線環境擴展為 包括無線環境 網絡環境和用戶環境在內的多域認知環境 傳統的靜態 局部的頻譜分配策略已經不能解決日漸突顯的頻譜匱乏問題 如何有效地整合空閑的頻譜資源并動態地進行分配變得尤為重要 因此目前關 于認知的研究也主要集中在對 頻譜空穴 的感知上 檢測空白頻譜并重新分配 提高資源的利用效率 主要相關的技術有 信號檢測技術 感知導頻信道 CPC Cognitive Pilot Channel 技術 數據庫技術 2 2 2 學習階段 學習階段是當外界環境參量發生變化時 系統感知此變化并做出相應的動 作響應 通過動作響應的結果 判斷對系統性能的影響 對系統響應結果進行 學習 并將學習結果輸入策略庫 以便下次發生相同的變化時采取經驗條件下 最優的行動策略 簡而言之 期望通過經驗學習來獲得系統性能的提升 當用 戶感知到對外界環境的某些參數后 做出決策并作用于外界環境 外界環境給 認知用戶一個反饋 學習階段就是逐步分析這些反饋 以達到最佳策略 繼而 完成學習的過程 相關的學習方法主要有 監督學習 非監督學習和半監督學 習 2 2 3 決策和調整階段 1 頻譜管理 由于認知無線網絡中用戶對帶寬的需求 可用信道的數量和位置都是實時 變化的 頻譜分配技術將一些不規律和不連續的頻譜資源進行整合 按照一定 的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶 實現資源的合理分配和利用 自適 應頻譜資源分配的關鍵技術主要有 載波分配技術 子載波功率控制技術 復 合自適應傳輸技術 為了協調授權用戶和非授權用戶間的關系 提高頻譜管理 的效率 新的頻譜管理思想和管理規則亟待提出 以適應用戶的需求和技術的 發展 2 聯合無線資源管理 各種異構無線接入技術 RAT Radio Access Technology 共存將會是未來 無線網絡環境的一大特點 具體來說 各種無線接入技術將會出現重疊覆蓋 各自面向不同的服務要求 技術特性之間存在互補性 這些特點使得異構無線 接入技術之間的資源共享成為可能 由此提高系統性能和資源利用率 帶來更 好的用戶體驗 聯合無線資源管理 JRRM Joint Radio Resource Management 用于多個 異構無線接入網之間的無線資源分配 它通過聯合會話接納控制 聯合會話調 度 聯合負載控制和切換等功能來實現更高的系統性能和頻譜效率 3 跨層設計 所謂跨層優化設計 是通過在網絡各層間共享與其他層相關的信息 利用 各層之間的相關性 將各層協議集成到一個綜合的分級框架中 對無線網絡進 行整體設計的一種思想 這種設計模糊了嚴格的層間界限 打破傳統的通信系 統分層框架 將分散在網絡各個子層的特性參數協調融合 使得協議棧能夠以 全局的方式適應特定應用所需的QoS和網絡狀況的變化 根據系統的約束條件 和網絡特征來進行綜合優化的方式 跨層的設計思想 實現了對網絡資源的有 效分配 達到了提高網絡的綜合性能 為用戶提供更好服務的目的 4 Self x 技術 下一代網絡融合了多種異構網絡 這極大地增加了網絡管理的復雜性 針 對此問題 研究人員提出了基于自主計算 AC Autonomic Computing 的異 構無線網絡自主管理架構 自主計算的概念最早由IBM在2001年提出 所謂自主計算 即通過設計 構建一個能夠自管理的計算系統來實現系統的自我管理 以便將管理人員從復 雜管理任務中解脫出來 降低系統的復雜性 減少管理成本 它的本質是由系 統主動監視自身的運行狀態 并按照管理策略針對不同的運行狀態自動執行相 應的調整 系統操作 自主計算的核心思想是實現自主管理 Self management 功能 主要表現為 自配置 Self configuring 自恢復 Self healing 自優化 Self optimizing 自保護 Self protecting 以上自主管理的功能也被稱為Self x 第 3 章 認知無線網絡的體系結構 3 1 目前提出的具有代表性的認知無線網絡 CRN 體系結構 認知無線電是一個智能無線通信系統 它能夠感知外界環境 并使用人工 智能技術從環境中學習 通過實時改變某些操作參數 使其內部狀態適應接收 到的無線信號的統計性變化 基于CR技術的認知無線電網絡具有動態 靈活 智能地使用頻譜資源 提高頻譜利用率的特點 其網絡結構和協議體系的設計 是實現上述網絡功能的關鍵 現有基于認知無線電技術的網絡架構主要有美國 的CORVUS系統 基于IEEE 802 22的無線區域網 WRAN 和支持多信道多接口 的無線Mesh網絡 協議體系有CORVUS協議體系 軍用的XG系統協議及 WRAN協議等 3 2 網絡架構 采用認知無線電技術的認知無線電網絡 由于其獨特的頻譜復用性和巨大 的覆蓋范圍 呈現出一些不同于以往傳統網絡的特點 1 在多系統共存條件下 分配無線資源 用戶間的鏈接需要進行有效的控 制和管理 同時滿足延遲和帶寬要求 實現數據傳輸調度 在數據傳輸調度時 需要考慮以下幾個因素 與交疊的認知無線電小區的共存 業務流對應的調度 業務 業務流的服務質量 QoS 參數值 數據傳輸的可靠性和所分配的帶寬容量 2 系統應該具有多信道支持能力 中心控制器在需要情況下應該能夠將多 個鄰近頻道進行聚合處理以改善系統性能 支持更多的用戶使用并占據更廣的 覆蓋面 它可以在一些控制幀中指示用戶終端哪些信道可以聚合成組以供使用 而用戶則可以相應地采用多信道模式工作 中心控制器要具有能夠處理跨越多 個子信道的上下行傳輸能力 并且隨著信道數量變化及時調整調度工作 信道 分組使用同時也提高了帶寬利用率 主用戶檢測程序和分布式感知能力為多信 道操作的可行性提供了保證 3 系統面臨共存問題 共存問題包括兩個層次 一是對主用戶系統的干擾 問題 二是對于重疊區 部分重疊區內認知網絡實體的共存問題 為避免對主 用戶的干擾 分布式頻譜感知 測量 檢測算法以及頻譜管理等認知無線電技 術所特有的功能都必須加以考慮 現實中 作為覆蓋范圍巨大的多個認知無線 電小區之間很有可能會發生部分重疊 最壞情況下甚至完全重疊 由此引發的 自干擾問題如果不能得到解決 將會嚴重影響認知無線電網絡工作 基于以上的特點 學術界和工業界已經提出了一些適用于認知無線電網絡 的網絡體系架構 其中具有代表性的有如下3個 3 2 1 CORVUS 系統 早在2004年美國加州大學伯克立分校的 Brodersen 教授領導的研究組就提 出了基于認知無線電方式使用虛擬非授權頻譜的CORVUS體系結構 在 CORVUS系統中 由多個次用戶 SU 組成次用戶組 SUG 同一個SUG中的節 點可以彼此間以Ad hoc方式通信 或者通過專用接入節點訪問骨干網絡 比如 Internet 不同SUG中的SU是不能直接通 信的 假設在對等SU或者SU與接入 點 AP 間只存在單播通信 不支持廣播 那么對等SU或SU與AP的通信允許分 布式或集中式的組織方 式 CORVUS系統將SU面對的業務流形式主要劃分為 2種類型 Web式和Ad hoc網絡式 對應于Web式 SU主要工作類似Internet接入 需要一個類似基站或者訪問點的存在來提供接入服務 因此會采用集中式控制 而Ad hoc網絡式主要工作是節點彼此間進行的通信 采用分布式控制即可 3 2 2 無線區域網 基于IEEE 802 22標準的無線區域網 WRAN 使用未使用的電視廣播信道 在對電視信道不產生干擾的前提下 為農村地區 邊遠地區和低人口密度且通 信服務質量差的市場提供類似于在城區或郊區 使用的寬帶接入技術的通信性能 在WRAN的系統中 基站和用戶預定設備是主要實體 轉發器是可選的實 體 采用集中式的網絡結構 在下行方向上 WRAN采用固定的點對多點星型 結構 其信息傳播方式為廣播方式 在上行方向上 WRAN向用戶提供有效的 多址接入 采取按需多址 DAMA 和時分多址 TDMA 即各用戶場地設備 CPE 以 傳輸需求為基礎 根據DAMA 和TDMA機制共享上行信道 用戶通過與基站 BS 的空中接口接入核心網絡 一個CPE可支持多個傳輸數據 語音和視頻的 用戶網絡的接入 通過BS可接入到多個核心網絡 在CPE與BS之間 系統可通 過轉發器進行轉發 在任何情況下 BS提供集中式的控制 包括功率管理 頻 率管理和調度控制 3 2 3 支持多信道多接口的無線 Mesh 網絡 支持多信道多接口的無線Mesh網絡按Ad hoc方式或者混合網絡方式布置 如果網絡中節點具有一個或多個無線電接口 如網卡 可同時接入一個或 多個無線信道 節點具有感知無線環境的功能 可以判斷信道的使用情況 選 擇相應的信道接入 正是因為節點的這一特點 使得這類網絡結構設計和布置 與傳統網絡有很大不同 3 3 協議體系 如何保證所設計的協議體系結構能夠保證正確可靠的數據交換 如何保證 所設計的協議體系結構在實現時能夠保證與協議標準的一致性 以及如何實現 與其他協議標準之間的數據交換 這都是認知無線電協議體系結構設計中必須 考慮的問題 由于認知無線電技術具有動態 靈活 智能的特點 因而對網絡 協議的要求也比較高 要求協議具有異步 實時的特點 必須能自適應于因終 端變動 無線環境變動而帶來的可用頻譜資源的動態變化 網絡拓撲結構的改 變 因此在設計認知無線電網絡協議時 將遵循以下原則 協議設計應充分反 映認知無線電技術的特征 常用通信協議體系結協議設計應充分反映認知無線 電技術的特征構都采用分層結構 在對認知無線電網絡進行設計時 將主要考 慮物理層 媒體接入控制 MAC 層以及網絡層 在具體設計過程中 將借鑒已 有物理層 MAC層與網絡層的協議層次 在此基礎上 加入具有認知無線電特 性的功能模塊 協議架構設計應結合算法與網絡結構設計的成果進行系統性地考慮 由于 認知無線電網絡協議的設計與采用的網絡結構密切相關 而算法又與所采用的 網絡結構密切相關 三者之間 相輔相成 互相影響 因此在網絡協議設計過 程中 應建立一個初步的框架 然后結合算法設計以及網絡結構設計的成果不 斷 修訂 最終完成網絡協議的設計 協議架構設計應盡可能考慮相容性 即考 慮與其他系統之間的協議架構設計應盡可能考慮相容性共存問題 由于目前的 通信格局是多系統共存 因此在認知無線電協議架構設計時 應充分考慮與其 它系統之間的共存問題 現有認知無線電系統的一些協議體系都是以分層協議 棧為基礎進行研究的 這種分層和模塊化的設計在將新技術融入現有網絡技術 時具有一定優勢 3 3 1 CORVUS 的協議體系 CORVUS的協議結構基于通用的OSI ISO協議棧結構 如圖3 1所示 從這 個協議棧結構可以看到 主要涉及了物理層與鏈路層 在物理層中 與認知無 線電技術相關的主要模塊包括 頻譜感知 信道估計和數據傳輸功能模塊 系 統內SU間的控制和感知信息是通過兩個專用邏輯信道通用控制信道 UCC 和組 控制信道 GCC 來實現傳送 UCC是系統唯一的公用控制信道 每個SU預先知 道 每個SUG擁有一個GCC負責 交換組內控制和感知信息 在鏈路層上 與認知無線電技術相關的主要模塊是 組管理模塊 鏈 路管理模塊和介質接入控制模塊 組管理模塊 CORVUS體系結構假定系統由主用戶 PU 和具有認知能力的 SU組成 PU是某些頻段的合法擁有者 SU在認知無線電技 術支持下借用PU暫 時未使用頻段通信 多個SU組成SU組 任何一個SU均屬于某個組 系統通過 定義的信道全局控制信道用來進行組的管理 新加入網絡的SU加入已存在的某 個 SUG或者新生成一個組 從 UCC處獲取所必需的信息 傳輸層 網絡層 鏈路層 物理層 公用 控制 信道 組控 制信 道 組管理鏈路管理 MAC 頻譜感知信道估計 數據傳 輸 MAC 媒體接入控制 圖 3 1 CORVUS 的協議結構 鏈路管理模塊 該模塊負責兩個SU之間的通信建立和鏈路維護 鏈路層基 于感知信息 信道估計或者用戶 法規要求等選擇一組子信道用以建立鏈接 在 物理層感知到有PU意圖使用這些信道時 鏈路層要換到新的信道以免影響PU并 維持自身通信 MAC模塊 MAC是認知無線電系統中比較有挑戰性的部分 在多分組多用 戶系統中 MAC要能夠提供多個SU并發接入一個鏈接的能力 甚至要能夠管理 多個SU的多個鏈接并發使用同一子信道 3 3 2 XG 項目的協議體系 美國國防部高級研究計劃署 DARPA 資助的XG項目也在積極關注動態使用 頻譜問題 XG系統設定普通協議分層模型不需重 新修改傳統MAC協議 只需 適當升級即可 例如傳統收發機應用程序接口 API 可加入XG原語集成為XG改 進收發機API 如圖3 2所示 XG范圍只包括在物理層和MAC層 網絡層及其 以上層也不需 做改動 最終系統形式是完全具有XG特性的MAC層和物理層 但現階段主要研究內容是圖上中間部分示意的系統協議結構 將具有XG特 性和功能的層次模塊集合進原有通信系統中 在這樣的XG的協議棧中 MAC 層增加了XG處理模塊 物理層增加了XG控制模塊 XG總體而言是一個MAC層 的概念 但其中一些重要部分卻分布在物理層 比如感知 它的收集和對接收 信號強度的平 均化處理就被設計在物理層進行 這就必須考慮協議的跨層問題 XG的物理層增加了XG控制功能模塊 該模塊識別出部分特定幀是具有XG 特性的并對其進行相應處理 XG處理模塊利用物理層發送和交換頻譜利用信息 與物理網絡上的其它成員協 調頻譜資源分配 這種交互的重要之處在于需要確 保選擇頻率在收方是可用的 在發端也不會造成信號阻塞 各XG處理模塊彼此 協調 執行動態頻譜共享 限制對主用戶的干擾 還產生物理層的狀態信息 XG MAC層上增加的XG處理模塊進一步分解為 機會識別 機會分配 機會使 用3個模塊 機會識別模塊 決定可用的傳輸機會集并加上相應的約束條件 機 會集是動態的 隨時間變化 可用的傳輸機會為XG全部節點的一個子集服務 特別是在目標節點附近一定范圍內的節點 機會識別是一個分布式工作 可能 包括感知頻譜機會 鑒別可用機會并賦予約束條件 比如時間窗口 最大功率和 發射參數 向目標地區分發信息等內容 機會分配模塊 以分布式方式將機會識別模塊確定的可用傳輸 機會分配給 XG節點 它使用機會信息和約束條件創建一個動態分配表 分配表實際上是個 分布式的數據庫 包含對各個XG節 點分配的頻率 時間間隔或碼字 分 配也是隨時間變化的 它可以基于任意介質接入控制方式 載波監聽媒體接 入 沖突避免 CSMA CA 頻分多址 FDMA TDMA CDMA 或者幾者結合 機會使用模塊 指的是在給定的傳輸機會上進行通信的物理層機制 它也要負 責記錄機會使用機制和收發機參數上下限值 此功能模塊的作用就是確保一個 數據 包在滿足約束條件下盡可能快地傳送 存在很多可能的機會使用機制 模塊并 不限定使用某種特定實現機制 在分配和識別模塊間構造了一個機會API 它是 個XG內部的API 作用是清晰分開決定傳輸機會和使用機會2種功能 這個API 的使用便于對2個模塊進行獨立細化 在同一個系統框架下分別地采用不同方法 執行 傳輸層 傳輸層 傳輸層 網絡層 網絡層 網絡層 MAC 層XG 過程 繼承 MA C 層 XG 優化 MAC 層 物理層 物理層 XG 優化物理層 XG 控制 繼 承 XG 增強 XG 增強 收發 機 API 收發 機 API 收 發 機 API 3 3 3 WRAN 的協議體系 WRAN的IEEE 802 22 標準包括物理層和MAC的協議 與IEEE 802 16 系 列中的結構 管理和互聯等要求保持一致性 IEEE 802 22 協議在物理層上增加了頻譜感知功能 通過本地頻譜感知技 術以及分布式檢測等方法 來可靠地感知某時刻 某地區的電視頻段中各子信 道是否被授權的電視信號 ATSC DVB T DMB T等制式 占用 使認知用戶 能夠在對授權用戶系統不造成干擾的情況下接入空閑的電視頻段 充分利用有 限的頻譜資源 本地檢測器利用本地的感知天線對授權用戶的信號進行感知 可能的算 法包括 匹配濾波 能量檢測以及周期特性檢測等 由于信道的多徑衰落 陰 影效應以及隱藏節點等問題的出現 從而增加了單個認知無線電用戶檢測某頻 段是否存在原始用戶的結果不確定性 為了克服這一系列問題 有必要聯合位 于不同位置的多節點進行分布式地聯合檢測 可能的合并算法包括 與 或 和 K秩 等 MAC協議方面 主要參照應用于固定寬帶無線接入的IEEE 802 16 標準 并根據WRAN的特點與要求做了相應的修改與擴展 并將該MAC協議成為認 知MAC協議 在對認知無線電系統極為重要的頻譜管理方面 MAC協議中不 僅引入了使得WRAN各覆蓋區域相重疊的BS能更加有效地共享無線頻譜的共存 信標協議 同時在MAC層的功能中加入了信道管理和測量功能以更加靈活有效 地實現頻譜管理 與IEEE 802 16 一樣 WRAN采取面向連接的通信機制 從 而便于提供靈活的QoS服務 協議支持單播 多播和廣播服務 并采用聯合接 入方案以在滿足延遲與帶寬要求的同時 對用戶間的連接進行有效的管理與控 制 這主要 通過4種不同的上行調度機制來完成 而這4種調度機制又通過主動帶寬獲 API 應用程序接口 MAC 媒體接入控制 圖 3 2 XG 協議棧結構 取 投票選舉和競爭3個過程來實現 IEEE 802 22 協議中提出的參考結構模型如圖3 3 即由一個頻譜管理模塊 和多個MAC 物理層模塊構成 而CPE僅由一個MAC 物理層模塊構成 其中 頻譜管理模塊使得系統能夠使用不連續的信道 并同時保持了MAC協議的簡單 性和可擴展性 該模塊負責觀察整個目標頻段 并將可用的空閑信道根據一定 標準 如每個模塊連接的終端數 通信要求 傳輸距離等 分配給各個MAC 物理 層模塊 此外 頻譜管理模塊還應能夠處理不同模塊的請求 如因信道質量發 生變化導致切換信道 因而需獲得可用信道信息的請求 高層 匯聚層 MAC 層 物理層 MAC 層 物理層 MAC 層 物理層 頻譜 管理 MAC 媒體接入控制 3 4 CRN 網絡動態接入 為達到在不干擾授權用戶的條件下有效地實現機會式頻譜利用 認知無線 電網絡的媒體接入控制 MAC 層不僅需要提供傳統的服務 還要求能支持一套 全新的功能 主要有 頻譜檢測管理通過對檢測模式的選取 檢測周期及檢測 時長的 設置 檢測信道的選取和檢測靜默期的設置等實現檢測策略和參數的選 取及優化 接入控制主要采用與授權用戶協調接入和透明接入兩種方式避免與 授權用戶的接入產生碰撞 動態頻譜分配針對二進制干擾模型和累積干擾模型 進行不確定 頻譜資源的優化分配 安全機制通過增加mac幀的認證和保密以防 御mac層的安全攻擊 跨層設計結合物理層和網絡層 傳輸層等上層信息設計 和實現全局優化的mac層技術 3 4 1 CRN 中 PHY 層中的關鍵技術 1 寬帶射頻前端技術 為了提供寬帶頻譜感知能力 CR的射頻前端必需能夠調諧到大頻譜范圍內 的任意頻帶 接收的信號通過放大 混頻和A D轉換等步驟后送入基帶處理 進行頻譜感知或數據檢測 其中 射頻濾波器通過通帶濾波選擇所需要的頻段 的接收信號 低噪放大器 LNA 在放大所需信號的同時最小化噪聲 鎖相環 PLL 壓控振蕩器 VCO 和混頻器聯合控制 將所需要的接收信號轉換到基帶 或者中頻處理 信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾 自動增 益控制 AGC 維持很寬的動態范圍內的輸入信號經放大器的輸出功率恒定 針對CR應用 寬帶射頻前端面臨的主要難題是 射頻前端需要在大的動態 范圍內檢測弱信號 為此 需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A D轉換器 并 且要求超過12比特的高分辨率為了降低這一需求 可以考慮通過陷波濾波器濾 出強信號 降低信號的動態范圍 或采用智能天線技術 通過空域濾波來實現 強信號濾出 2 頻譜感知技術 頻譜感知技術是CR應用的基礎和前提 現有的頻譜感知技術可分類為 單節點感知是指單個CR節點根據本地的無線射頻環境進行頻單節點感知譜特性 標識 單節點感知技術包括匹配濾波 能量檢測和周期特性檢測3種 由于這些 方法各有優缺點 實際應用時通常結合使用 圖 3 3 IEEE 802 22 的協議參考模型 協同感知則是通過數據融合 基于多個節點的感知結果將進行綜合判決 協同頻譜感知的另一個優點是可以有效的消除陰影效應的影響 協同感知可以 采用集中或者分布式的方式進行 集中式協同感知是指各個感知節點將本地感 知結果送到基站 BS 或接入點 AP 統一進行數據融合 做出決策 分布式協同 感知則是指個節點間 相互交換感知信息 各個節點獨自決策 干擾溫度感知隨 著FCC引入干擾溫度模型來測量干擾 也有人提出通過測量干擾溫度進行頻譜 感知 但這種方法通常要求CR節點知道授權用戶的位置 目前尚面臨很多問題 3 數據傳輸技術 數據傳輸技術對于CR實現利用空閑頻譜進行通信 從而整體上提高頻譜利 用率的主要目標非常關鍵 由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍 并且不 連續 因此CR數據傳輸技術必需能夠適應可用頻譜的這一特性 目前 實現頻 譜自適應CR數據傳輸有2個基本途徑 采用多載波技術或采用基帶信號發射波 形設計 在多載波傳輸技術中 正交頻分復用 OFDM 是最佳候選技術 其基 本思想是將可用整個頻帶劃分成OFDM子載波 只利用沒有被授 權用戶占用的 子載波傳輸數據 構成所謂的非連續OFDM NC OFDM 子載波的分配則通過 頻譜感知和判決的結果 以分配矢量的方式實現 例如 在進行OFDM調制時 可以將已被授權用戶占用的子載波置零 從而避免對授權用戶產生干擾 同時 考慮到頻譜滲漏的問題 還有必要留出足夠的保護子載波 同時 由于很多子 載波并沒有使用 可以通過一些快速傅立葉變換 FFT 修剪算法降低系統實現的 復雜度 OFDM技術的重要優點是實現靈活 但也面臨同步 信道估計以及高 峰平比的問題 3 4 2 CRN 中 MAC 層中的關鍵技術 為實現CR用戶利用頻譜空穴的同時避免對授權用戶造成有害干擾 要求 CR網絡的媒體接入控制 MAC 層不僅提供傳統的服務 如媒體接入控制和健 壯的數據傳輸 還能支持一套全新的功能 即在不干擾授權用戶的條件下有效 地實現機會頻譜利用 這些新的功能體現在MAC層的頻譜檢測管理 接入控制 動態頻譜分配 安全機制及跨層設計等各個方面 頻譜檢測管理通過對檢測模 式的選取 檢測周期 頻譜檢測管理及檢測時長的設置 檢測信道的選取和檢測 靜默期的設置等實現檢測策略和參數的選取及優化 接入控制主要采用與授權 用戶協調接入和透明接入控制兩種方式避免與授權用戶的接入產生碰撞 動態 頻譜分配針對二進制干擾模型和累積干擾模動態頻譜分配型進行不確定頻譜資 源的優化分配 安全機制通過增加MAC幀的認證和保密以防御MAC安全機制層 的安全攻擊 跨層設計結合物理層和網絡層 傳輸層等上層信跨層設計息設計 和實現全局優化的MAC層技術 第 4 章 小型認知無線網絡的關鍵技術 4 1 引言 同其他類型的通信網絡相比 認知無線網絡的本質在于利用頻譜空穴進行 機會接入 通俗來講 就是在授權用戶空閑時 借用 授權用戶的使用頻率 從這個角度考慮 組建一個認知無線網絡 最重要的技術問題就是如何更 好的利用頻譜空穴進行機會接入 具體地說 就是解決 如何發現頻譜空穴 和 如何利用頻譜空穴 這兩個問題 所以 認知無線網絡研究的兩個關鍵技 術就是頻譜感知技術和頻譜分配技術 小型認知無線網絡顯然應當具備一般認知無線網絡的特點 與此同時 它 也應當和其他典型的小范圍 短距離無線通信網絡具備共同的特征 包括低成 本 低功耗 對等通信等 通過將系統介紹認知無線網絡 短距離無線網絡的特點和關鍵技術 并列 出幾種典型的短距離無線網絡的架構和優缺點 由此引出接下來的研究重點 即認知無線網絡和短距離通信網絡的結合 4 2 認知無線網絡的頻譜感知 4 2 1 頻譜感知的功能和特點 頻譜感知的目的是及時準確的感知到在某時和某地是否存在可供認知用戶 使用的空閑頻段 同時在認知用戶使用時能夠隨時檢測是否有授權用戶使用該 頻段 以使認知用戶及時退出頻段 狹義的頻譜感知指的是對單個節點而言的 頻譜感知 也就是單個節點在獨立而不依靠外界幫助的情況下完成頻譜感知 頻譜感知的功能主要有兩個 一是對頻譜空穴的尋找 充分利用機會 二是通信過程中對授權用戶的檢測 及時感知授權用戶的狀態 盡量避免對 授權用戶產生干擾 出于認知無線網絡特殊的應用環境 頻譜感知也有其自身 的特點 首先 它只需判斷授權用戶是否存在 而不需要從授權用戶那里獲取 信息 因此 頻譜感知不必識別授權用戶的波形 調制方式 編碼方式等 除非是為了提高感知成功率 其次 頻譜感知只能夠通過被動接收來自網絡環