小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定與設(shè)計(jì).doc

河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 QINGGONG COLLEGE HEBEI UNITED UNIVERSITY 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說說明明書書 111 論文題目 論文題目 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定與設(shè)計(jì)小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定與設(shè)計(jì) 2013 年 05 月 30 日 摘 要 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài) 靈活 智能地使用頻譜資源 提高頻譜利用率 的特點(diǎn) 其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵 現(xiàn)有基于 認(rèn)知無線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有美國的 CORVUS 系統(tǒng) 基于 IEEE 802 22 的 無線局域網(wǎng) WRAN 和支持多信道多接口的無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議體系有 CORVUS 協(xié)議體系 軍用的 XG 系統(tǒng)協(xié)議及 WRAN 協(xié)議等 提出了一種小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜協(xié)同感知方法 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了 一種小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議 通過協(xié)議程序復(fù)雜度的角度切入 對該協(xié) 議進(jìn)行了分析 同其他典型協(xié)議相比較 該協(xié)議通過采用集中式控制 分布式 感知 點(diǎn)對點(diǎn)通信的機(jī)制 盡可能地做到了揚(yáng)長避短 使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和 復(fù)雜度得到了兼顧 關(guān)鍵詞 認(rèn)知無線電 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 協(xié)同感知 通 信協(xié)議 程序復(fù)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(rèn)知無線電的產(chǎn)生背景和特征 1 1 1 1 CR 技術(shù)的產(chǎn)生 2 1 1 2 CR 特征 2 1 1 3 認(rèn)知無線電與軟件無線電之間的關(guān)系 3 1 1 4 CR 當(dāng)前的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn) 3 1 2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的研究背景 4 第 2 章 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的簡介 5 2 1 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的概念 5 2 2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 5 2 2 1 認(rèn)知階段 6 2 2 2 學(xué)習(xí)階段 6 2 2 3 決策和調(diào)整階段 6 第 3 章 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 8 3 1 目前提出的具有代表性的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) CRN 體系結(jié)構(gòu) 8 3 2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 8 3 2 1 CORVUS 系統(tǒng) 9 3 2 2 無線區(qū)域網(wǎng) 9 3 2 3 支持多信道多接口的無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 9 3 3 協(xié)議體系 10 3 3 1 CORVUS 的協(xié)議體系 10 3 3 2 XG 項(xiàng)目的協(xié)議體系 11 3 3 3 WRAN 的協(xié)議體系 13 3 4 CRN 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入 15 3 4 1 CRN 中 PHY 層中的關(guān)鍵技術(shù) 16 3 4 2 CRN 中 MAC 層中的關(guān)鍵技術(shù) 17 第 4 章 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 18 4 1 引言 18 4 2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知 18 4 2 1 頻譜感知的功能和特點(diǎn) 18 4 2 2 常用頻譜感知方法 19 4 3 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配 20 4 3 1 基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和實(shí)例 22 4 4 1 短距離無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 22 4 4 2 典型的短距離通信網(wǎng)絡(luò) 22 4 5 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和研究重點(diǎn) 22 4 5 1 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 23 4 5 2 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn) 23 第 5 章 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)定 24 5 1 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境感知方法 24 5 1 1 基于單節(jié)點(diǎn)的頻譜檢測方法 24 5 1 2 協(xié)同感知方法 24 5 2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議設(shè)計(jì) 25 5 2 1 協(xié)議層次架構(gòu) 25 5 2 2 控制節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序 25 5 2 3 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序 26 5 3 其他典型通信協(xié)議架構(gòu)形式 27 結(jié) 論 29 參考文獻(xiàn) 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(wù)應(yīng)用持續(xù)發(fā)展的瓶頸 作 為一種智能的革命性頻譜共享技術(shù) 認(rèn)知無線電 Cognitive Radio CR 被稱 為未來最熱門的無線技術(shù) 它通過對授權(quán)頻譜進(jìn)行 二次利用 為緩解頻譜資 源缺乏與日益增長的無線業(yè)務(wù)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(yōu)越的和不可 替代的意義 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)就是認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化 其本質(zhì)在于將認(rèn)知無線電的關(guān)鍵 技術(shù)環(huán)境感知 智能接入等應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究 認(rèn)知無線網(wǎng) 絡(luò)能夠利用環(huán)境認(rèn)知來獲取環(huán)境信息 通過對環(huán)境信息進(jìn)行處理和學(xué)習(xí)做出智 能決策 并以此進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) 實(shí)現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應(yīng) 1 1 認(rèn)知無線電的產(chǎn)生背景和特征 認(rèn)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(rèn)知能力 通過對周圍無線環(huán)境的歷史和當(dāng) 前狀況進(jìn)行檢測 分析 學(xué)習(xí) 推理和規(guī)劃 利用相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸參 數(shù) 使用最適合的無線資源 包括頻率 調(diào)制方式 發(fā)射功率等 完成無線傳 輸 認(rèn)知無線電能夠幫助用戶自動選擇最好的 最廉價(jià)的服務(wù)進(jìn)行無線傳輸 甚至能夠根據(jù)現(xiàn)有的或者即將獲得的無線資源延遲或主動發(fā)起傳送 認(rèn)知無線電系統(tǒng)如圖1 1所示 無線環(huán)境 頻譜決策 頻譜感知 頻譜分析 頻譜空穴信息 圖 1 1 認(rèn)知無線電系統(tǒng) 1 1 1 CR 技術(shù)的產(chǎn)生 通信手段的不斷進(jìn)步 正是人類社會不斷進(jìn)步的標(biāo)志 從數(shù)千年前烽火臺的 出現(xiàn) 到現(xiàn)在3G網(wǎng)絡(luò)的普及 可以說 每一次通信手段的進(jìn)步 都是人類社會進(jìn)步 的里程碑 上世紀(jì)90年代 隨著無線通信被越來越多的應(yīng)用在軍事 科研 社會生活的 各個(gè)領(lǐng)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(rèn)可 在這個(gè)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(gè)備受關(guān)注的話題 另一方面 隨著電子技術(shù)的進(jìn)步 數(shù)字通信技術(shù)也得到了長足的發(fā)展 這個(gè)時(shí)期正是GSM網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)普及 的時(shí)期 數(shù)字無線業(yè)務(wù)需求連續(xù)數(shù)年大幅度增長 且已不限于語音通話業(yè)務(wù) 3G 網(wǎng)絡(luò) UWB等技術(shù)的出現(xiàn) 正是為應(yīng)對這種巨大的需求所產(chǎn)生的 在頻譜資源日益緊張和數(shù)字通信技術(shù)日益發(fā)達(dá)的大背景下 認(rèn)知無線電技術(shù) 的產(chǎn)生 是歷史發(fā)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(tǒng)地闡述了CR的基本原理以來 不同的機(jī)構(gòu)和 學(xué)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(xué)者Simon Haykin教授的 定義 FCC認(rèn) 為 CR是能夠基于對其工作環(huán) 境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無線電 Simon Haykin 則從信號處理的角度出發(fā) 認(rèn)為 CR是 一個(gè)智能無線通 信系統(tǒng) 它能夠感知外界環(huán)境 并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí) 通過實(shí)時(shí) 改變某些操作參 數(shù) 比如傳輸功率 載波頻率和調(diào)制技術(shù)等 使其內(nèi)部狀態(tài)適 應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計(jì)性變化 以達(dá)到以下目的 任何時(shí)間任何地點(diǎn)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(yīng)該具備以下2個(gè)主要特征 1 認(rèn)知能力 認(rèn)知能力使CR能夠從其工作的無線環(huán)境中捕獲或者感知信息 從而可以標(biāo) 識特定時(shí)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(dāng)?shù)念l譜 和工作參數(shù) 這一任務(wù)通常采用圖1 1所示的認(rèn)知環(huán)進(jìn)行表示 包括3個(gè)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(jiān)測可用頻段 檢測頻譜空洞 頻譜分析估計(jì)頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性 頻譜判決根據(jù) 頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù) 2 重構(gòu)能力 重構(gòu)能力使得 CR 設(shè)備可以根據(jù)無線環(huán)境動態(tài)編程 從而允許 CR 設(shè)備采 用不同的無線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù) 可以重構(gòu)的參數(shù)包括 工作頻率 調(diào)制方式 發(fā)射功率和通信協(xié)議等 重構(gòu)的核心思想是在不對頻譜授權(quán)用戶 LU 產(chǎn)生有害 干擾的前提下 利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù) 一旦該頻段被 LU 使用 CR 有 2 種應(yīng)對方式 一是切換到其它空閑頻段通信 二是繼續(xù)使用 該頻段 但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案避免對 LU 的有害干擾 1 1 3 認(rèn)知無線電與軟件無線電之間的關(guān)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(jìn)行區(qū)分 根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會 IEEE 的定義 一個(gè)無線電設(shè)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(shù)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(guān)注的是無線電系統(tǒng)信號處理的實(shí)現(xiàn) 方式 而CR是指無線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化 并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參 數(shù) 從這個(gè)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(jù)相 應(yīng)的任務(wù) 政策 規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層功能 一般來說認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須具備以下基本功能 一般來說認(rèn)知無線電系 統(tǒng)必須具備以下基本功能 1 對無線環(huán)境的場景分析 包括空間電磁環(huán)境中干擾溫度的估計(jì)和頻譜 空穴的檢測 2 信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測 主要有信道狀態(tài)信息的估計(jì) 信道容量的 預(yù)測 3 功率控制和動態(tài)頻譜管理 1 1 4 CR 當(dāng)前的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn) 當(dāng)前 認(rèn)知無線電技術(shù)已經(jīng)得到了各界的關(guān)注 很多著名學(xué)者和機(jī)構(gòu)都投 入到認(rèn)知無線電相關(guān)技術(shù)的研究中 啟動了很多針對認(rèn)知無線電的重要研究項(xiàng) 目 例如德國高校提出的頻譜池系統(tǒng) 美國加州大學(xué)Berkeley分校研究組開發(fā) 的COVUS系統(tǒng) 美國Georgia理工學(xué)院寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室提出的OCRA項(xiàng)目 美國軍方DARPA的XG項(xiàng)目 歐盟的E2R 項(xiàng)目等 在這些項(xiàng)目的推動下 在基 本理論 頻譜感知 數(shù)據(jù)傳輸 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議等領(lǐng)域取得了一些成果 IEEE 為此專門組織了兩個(gè)重要的國際年會交流這方面的成果 目前 最引人關(guān)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(jìn)行寬帶無 線接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 這是第一個(gè)引入認(rèn)知無線電概念的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域網(wǎng)絡(luò) 該工作組的目的就 是使用認(rèn)知無線電技術(shù)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(shí)現(xiàn)民用的 UWB 之后又一全新的無線頻率應(yīng)用技術(shù) IEEE802 22將要制定的是無線通 信的物理層與MAC層規(guī)格 所設(shè)想的數(shù)據(jù)通信頻率為數(shù)Mbit 秒 數(shù)十Mbit 秒 電視轉(zhuǎn)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(shè)備可覆 蓋的范圍很大 半徑超過40km 如果此目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn) 總計(jì)300MHz 400MHz 的頻帶將可用于室外寬帶通信 1 2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的研究背景 所謂認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 就是認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化 其本質(zhì)在于將認(rèn)知無線電的 關(guān)鍵技術(shù) 環(huán)境感知 智能接入等 應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠利用環(huán)境認(rèn)知來獲取環(huán)境信息 通過對環(huán)境信息進(jìn)行處理和 學(xué)習(xí)做出智能決策 并以此進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應(yīng) 國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對認(rèn)知無線電技術(shù)的研究思路經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展變化的 過程 即 由單純的 無線電 視角向 網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng) 的框架轉(zhuǎn)變 在傳統(tǒng)的 無線電 視角之下 認(rèn)知無線電系統(tǒng)所要求的有意識的 可調(diào)整的 自動化 和自適應(yīng)的特征 需要由 全能型 的無線收發(fā)信機(jī) 支持所有模式所有頻段 來偵測 發(fā)現(xiàn)并協(xié)商適合的工作頻率 波形及協(xié)議 然而 隨著研究工作的開 展與深入 這一傳統(tǒng) 無線電 視角逐漸暴露了局限性 所謂 全能型 收發(fā) 信機(jī)的實(shí)現(xiàn)成本 復(fù)雜度 功耗等因素使其在現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn) 僅僅關(guān)注了無 線鏈路底層 而忽視了不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的交互及協(xié)作 無法反映用戶業(yè)務(wù)與 應(yīng)用對無線系統(tǒng)的影響與需求 所以 認(rèn)知無線電的研究視角逐漸從無線鏈路 的底層功能擴(kuò)展到了更高層次的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) CRN 已逐漸 成為認(rèn)知無線電未來研究和產(chǎn)業(yè)化方向的共識 在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的框架內(nèi) 無 線網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)其與周邊多維環(huán)境 網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議 應(yīng)用等 交互信息的情況 調(diào)整 其網(wǎng)絡(luò)特性 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能 目前 歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)開始進(jìn) 行認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)級行 為的研究和協(xié)議的制定 但是國內(nèi)的研究仍然主要處于頻譜感知 頻譜決策等 分支學(xué)科研究階段 第 2 章 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的簡介 2 1 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的概念 隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展和深入研究 Motorola及Virginia Tech等公司提出了 無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò) Cognitive Radio Network CRN 的概念 他們認(rèn)為無線認(rèn)知網(wǎng) 絡(luò)是一種具有認(rèn)知能力的網(wǎng)絡(luò) 能夠感知網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況 并根據(jù)當(dāng)前的狀況 來計(jì)劃 決定并行動 也就是說可以自我配置來響應(yīng)和動態(tài)自適應(yīng)操作和環(huán)境 的改變 自我配置的主要功能組成是 自我意識和自動學(xué)習(xí) 通過具有網(wǎng)絡(luò)意識 的中間件和網(wǎng)絡(luò)各組成部分分布式交叉來實(shí)現(xiàn) 無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能最大化操作者 的能力 認(rèn)知無線電作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)成智能的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 是網(wǎng)絡(luò)的核心 2 2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知過程的網(wǎng)絡(luò) 它能分辨當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) 然后 根據(jù)這些狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃 決策和響應(yīng) 網(wǎng)絡(luò)能在這些自適應(yīng)過程中學(xué)習(xí) 并可 以將學(xué)到的知識用于以后的決策 最終目標(biāo)都是為了實(shí)現(xiàn)端到端的性能 這個(gè)定義在認(rèn)知方面與認(rèn)知無線電的表述相似 兩者都廣泛地包含了許多 認(rèn)知和學(xué)習(xí)的簡易模型 這個(gè)定義的關(guān)鍵是在于網(wǎng)絡(luò)層面和端到端的部分 如 果沒有網(wǎng)絡(luò)和端到端的視角 這個(gè)系統(tǒng)也許將成為認(rèn)知無線電或者只是網(wǎng)絡(luò)中 的一層 而不是一個(gè)完整的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 這里的端到端指的是網(wǎng)絡(luò)所有元素 都參與了同一個(gè)數(shù)據(jù)流的傳播 而端到端的目標(biāo)使得認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)全網(wǎng) 范圍內(nèi)的要求 這點(diǎn)使其與只在本地或者單元素范圍內(nèi)自適應(yīng)的方法區(qū)別開來 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該將對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中可調(diào)元素的一系列行為作為輸出 理想的情 況是 一個(gè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有前瞻性而不僅僅是反應(yīng)式的處理 它應(yīng)該在 問題出現(xiàn)之前就嘗試校正修整 此外 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)應(yīng)該具有擴(kuò)展 性和靈活性 以支持未來改善的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和新增的網(wǎng)絡(luò)元素 從而實(shí)現(xiàn)更高層 次的通信目標(biāo) 認(rèn)知集中在對無線環(huán)境域 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境域和用戶域的多域認(rèn)知上 完成對海量認(rèn)知信息的獲取 為以后的學(xué)習(xí) 決策 調(diào)整階段提供信息輸入 學(xué)習(xí)階段主要是通過反饋環(huán)路分析行動對外界環(huán)境變化進(jìn)行響應(yīng) 逐步修正達(dá) 到最優(yōu)的行動策略目的 決策和調(diào)整階段是針對認(rèn)知信息和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí) 選擇最 優(yōu)的行動決策并通過重配置方式進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整 這個(gè)階段涉及無線頻譜 資源的分配和管理 對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源的聯(lián)合管理 期望得到資源的最大利 用效率 從而獲得系統(tǒng)性能的最大提升 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) 跨層設(shè)計(jì)可以通 過增加層間交互的方式對相應(yīng)的協(xié)議層做出最優(yōu)決策和調(diào)整命令 Self x利用其 自配置 自管理 自優(yōu)化的特性對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整 2 2 1 認(rèn)知階段 為了適應(yīng)時(shí)變的無線信道環(huán)境 及時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 需要借助認(rèn)知技術(shù) 來實(shí)現(xiàn)無線資源的有效利用和網(wǎng)絡(luò)性能的整體提升 由于 未來必定是多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存的局面 用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況來自主選 擇要接入的性能最佳的網(wǎng)絡(luò) 從而為用戶提供最好的端到端QoS Quality of Service 保證 認(rèn)知為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了重要的手段 為了提高認(rèn)知的效 率和完備性 充分認(rèn)知環(huán)境的變化 認(rèn)知域需要由傳統(tǒng)的單一無線環(huán)境擴(kuò)展為 包括無線環(huán)境 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶環(huán)境在內(nèi)的多域認(rèn)知環(huán)境 傳統(tǒng)的靜態(tài) 局部的頻譜分配策略已經(jīng)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(tài)地進(jìn)行分配變得尤為重要 因此目前關(guān) 于認(rèn)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(guān)的技術(shù)有 信號檢測技術(shù) 感知導(dǎo)頻信道 CPC Cognitive Pilot Channel 技術(shù) 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 2 2 2 學(xué)習(xí)階段 學(xué)習(xí)階段是當(dāng)外界環(huán)境參量發(fā)生變化時(shí) 系統(tǒng)感知此變化并做出相應(yīng)的動 作響應(yīng) 通過動作響應(yīng)的結(jié)果 判斷對系統(tǒng)性能的影響 對系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行 學(xué)習(xí) 并將學(xué)習(xí)結(jié)果輸入策略庫 以便下次發(fā)生相同的變化時(shí)采取經(jīng)驗(yàn)條件下 最優(yōu)的行動策略 簡而言之 期望通過經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)來獲得系統(tǒng)性能的提升 當(dāng)用 戶感知到對外界環(huán)境的某些參數(shù)后 做出決策并作用于外界環(huán)境 外界環(huán)境給 認(rèn)知用戶一個(gè)反饋 學(xué)習(xí)階段就是逐步分析這些反饋 以達(dá)到最佳策略 繼而 完成學(xué)習(xí)的過程 相關(guān)的學(xué)習(xí)方法主要有 監(jiān)督學(xué)習(xí) 非監(jiān)督學(xué)習(xí)和半監(jiān)督學(xué) 習(xí) 2 2 3 決策和調(diào)整階段 1 頻譜管理 由于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中用戶對帶寬的需求 可用信道的數(shù)量和位置都是實(shí)時(shí) 變化的 頻譜分配技術(shù)將一些不規(guī)律和不連續(xù)的頻譜資源進(jìn)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(shí)現(xiàn)資源的合理分配和利用 自適 應(yīng)頻譜資源分配的關(guān)鍵技術(shù)主要有 載波分配技術(shù) 子載波功率控制技術(shù) 復(fù) 合自適應(yīng)傳輸技術(shù) 為了協(xié)調(diào)授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶間的關(guān)系 提高頻譜管理 的效率 新的頻譜管理思想和管理規(guī)則亟待提出 以適應(yīng)用戶的需求和技術(shù)的 發(fā)展 2 聯(lián)合無線資源管理 各種異構(gòu)無線接入技術(shù) RAT Radio Access Technology 共存將會是未來 無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一大特點(diǎn) 具體來說 各種無線接入技術(shù)將會出現(xiàn)重疊覆蓋 各自面向不同的服務(wù)要求 技術(shù)特性之間存在互補(bǔ)性 這些特點(diǎn)使得異構(gòu)無線 接入技術(shù)之間的資源共享成為可能 由此提高系統(tǒng)性能和資源利用率 帶來更 好的用戶體驗(yàn) 聯(lián)合無線資源管理 JRRM Joint Radio Resource Management 用于多個(gè) 異構(gòu)無線接入網(wǎng)之間的無線資源分配 它通過聯(lián)合會話接納控制 聯(lián)合會話調(diào) 度 聯(lián)合負(fù)載控制和切換等功能來實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能和頻譜效率 3 跨層設(shè)計(jì) 所謂跨層優(yōu)化設(shè)計(jì) 是通過在網(wǎng)絡(luò)各層間共享與其他層相關(guān)的信息 利用 各層之間的相關(guān)性 將各層協(xié)議集成到一個(gè)綜合的分級框架中 對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行整體設(shè)計(jì)的一種思想 這種設(shè)計(jì)模糊了嚴(yán)格的層間界限 打破傳統(tǒng)的通信系 統(tǒng)分層框架 將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合 使得協(xié)議棧能夠以 全局的方式適應(yīng)特定應(yīng)用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化 根據(jù)系統(tǒng)的約束條件 和網(wǎng)絡(luò)特征來進(jìn)行綜合優(yōu)化的方式 跨層的設(shè)計(jì)思想 實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)資源的有 效分配 達(dá)到了提高網(wǎng)絡(luò)的綜合性能 為用戶提供更好服務(wù)的目的 4 Self x 技術(shù) 下一代網(wǎng)絡(luò)融合了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 這極大地增加了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性 針 對此問題 研究人員提出了基于自主計(jì)算 AC Autonomic Computing 的異 構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)自主管理架構(gòu) 自主計(jì)算的概念最早由IBM在2001年提出 所謂自主計(jì)算 即通過設(shè)計(jì) 構(gòu)建一個(gè)能夠自管理的計(jì)算系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我管理 以便將管理人員從復(fù) 雜管理任務(wù)中解脫出來 降低系統(tǒng)的復(fù)雜性 減少管理成本 它的本質(zhì)是由系 統(tǒng)主動監(jiān)視自身的運(yùn)行狀態(tài) 并按照管理策略針對不同的運(yùn)行狀態(tài)自動執(zhí)行相 應(yīng)的調(diào)整 系統(tǒng)操作 自主計(jì)算的核心思想是實(shí)現(xiàn)自主管理 Self management 功能 主要表現(xiàn)為 自配置 Self configuring 自恢復(fù) Self healing 自優(yōu)化 Self optimizing 自保護(hù) Self protecting 以上自主管理的功能也被稱為Self x 第 3 章 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 3 1 目前提出的具有代表性的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) CRN 體系結(jié)構(gòu) 認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng) 它能夠感知外界環(huán)境 并使用人工 智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí) 通過實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù) 使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收 到的無線信號的統(tǒng)計(jì)性變化 基于CR技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài) 靈活 智能地使用頻譜資源 提高頻譜利用率的特點(diǎn) 其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系的設(shè)計(jì) 是實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵 現(xiàn)有基于認(rèn)知無線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有美國 的CORVUS系統(tǒng) 基于IEEE 802 22的無線區(qū)域網(wǎng) WRAN 和支持多信道多接口 的無線Mesh網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議體系有CORVUS協(xié)議體系 軍用的XG系統(tǒng)協(xié)議及 WRAN協(xié)議等 3 2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 采用認(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò) 由于其獨(dú)特的頻譜復(fù)用性和巨大 的覆蓋范圍 呈現(xiàn)出一些不同于以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 1 在多系統(tǒng)共存條件下 分配無線資源 用戶間的鏈接需要進(jìn)行有效的控 制和管理 同時(shí)滿足延遲和帶寬要求 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度 在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度時(shí) 需要考慮以下幾個(gè)因素 與交疊的認(rèn)知無線電小區(qū)的共存 業(yè)務(wù)流對應(yīng)的調(diào)度 業(yè)務(wù) 業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量 QoS 參數(shù)值 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退峙涞膸捜萘?2 系統(tǒng)應(yīng)該具有多信道支持能力 中心控制器在需要情況下應(yīng)該能夠?qū)⒍?個(gè)鄰近頻道進(jìn)行聚合處理以改善系統(tǒng)性能 支持更多的用戶使用并占據(jù)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(yīng)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(gè)子信道的上下行傳輸能力 并且隨著信道數(shù)量變化及時(shí)調(diào)整調(diào)度工作 信道 分組使用同時(shí)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(tǒng)面臨共存問題 共存問題包括兩個(gè)層次 一是對主用戶系統(tǒng)的干擾 問題 二是對于重疊區(qū) 部分重疊區(qū)內(nèi)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(rèn)知無線電技 術(shù)所特有的功能都必須加以考慮 現(xiàn)實(shí)中 作為覆蓋范圍巨大的多個(gè)認(rèn)知無線 電小區(qū)之間很有可能會發(fā)生部分重疊 最壞情況下甚至完全重疊 由此引發(fā)的 自干擾問題如果不能得到解決 將會嚴(yán)重影響認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)工作 基于以上的特點(diǎn) 學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)提出了一些適用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò) 的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 其中具有代表性的有如下3個(gè) 3 2 1 CORVUS 系統(tǒng) 早在2004年美國加州大學(xué)伯克立分校的 Brodersen 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組就提 出了基于認(rèn)知無線電方式使用虛擬非授權(quán)頻譜的CORVUS體系結(jié)構(gòu) 在 CORVUS系統(tǒng)中 由多個(gè)次用戶 SU 組成次用戶組 SUG 同一個(gè)SUG中的節(jié) 點(diǎn)可以彼此間以Ad hoc方式通信 或者通過專用接入節(jié)點(diǎn)訪問骨干網(wǎng)絡(luò) 比如 Internet 不同SUG中的SU是不能直接通 信的 假設(shè)在對等SU或者SU與接入 點(diǎn) 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(tǒng)將SU面對的業(yè)務(wù)流形式主要劃分為 2種類型 Web式和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)式 對應(yīng)于Web式 SU主要工作類似Internet接入 需要一個(gè)類似基站或者訪問點(diǎn)的存在來提供接入服務(wù) 因此會采用集中式控制 而Ad hoc網(wǎng)絡(luò)式主要工作是節(jié)點(diǎn)彼此間進(jìn)行的通信 采用分布式控制即可 3 2 2 無線區(qū)域網(wǎng) 基于IEEE 802 22標(biāo)準(zhǔn)的無線區(qū)域網(wǎng) WRAN 使用未使用的電視廣播信道 在對電視信道不產(chǎn)生干擾的前提下 為農(nóng)村地區(qū) 邊遠(yuǎn)地區(qū)和低人口密度且通 信服務(wù)質(zhì)量差的市場提供類似于在城區(qū)或郊區(qū) 使用的寬帶接入技術(shù)的通信性能 在WRAN的系統(tǒng)中 基站和用戶預(yù)定設(shè)備是主要實(shí)體 轉(zhuǎn)發(fā)器是可選的實(shí) 體 采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 在下行方向上 WRAN采用固定的點(diǎn)對多點(diǎn)星型 結(jié)構(gòu) 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(shí)分多址 TDMA 即各用戶場地設(shè)備 CPE 以 傳輸需求為基礎(chǔ) 根據(jù)DAMA 和TDMA機(jī)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(wǎng)絡(luò) 一個(gè)CPE可支持多個(gè)傳輸數(shù)據(jù) 語音和視頻的 用戶網(wǎng)絡(luò)的接入 通過BS可接入到多個(gè)核心網(wǎng)絡(luò) 在CPE與BS之間 系統(tǒng)可通 過轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) 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(diào)度控制 3 2 3 支持多信道多接口的無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)按Ad hoc方式或者混合網(wǎng)絡(luò)方式布置 如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)或多個(gè)無線電接口 如網(wǎng)卡 可同時(shí)接入一個(gè)或 多個(gè)無線信道 節(jié)點(diǎn)具有感知無線環(huán)境的功能 可以判斷信道的使用情況 選 擇相應(yīng)的信道接入 正是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的這一特點(diǎn) 使得這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有很大不同 3 3 協(xié)議體系 如何保證所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)能夠保證正確可靠的數(shù)據(jù)交換 如何保證 所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)時(shí)能夠保證與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性 以及如何實(shí)現(xiàn) 與其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)據(jù)交換 這都是認(rèn)知無線電協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須 考慮的問題 由于認(rèn)知無線電技術(shù)具有動態(tài) 靈活 智能的特點(diǎn) 因而對網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議的要求也比較高 要求協(xié)議具有異步 實(shí)時(shí)的特點(diǎn) 必須能自適應(yīng)于因終 端變動 無線環(huán)境變動而帶來的可用頻譜資源的動態(tài)變化 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改 變 因此在設(shè)計(jì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí) 將遵循以下原則 協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)充分反 映認(rèn)知無線電技術(shù)的特征 常用通信協(xié)議體系結(jié)協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)充分反映認(rèn)知無線 電技術(shù)的特征構(gòu)都采用分層結(jié)構(gòu) 在對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí) 將主要考 慮物理層 媒體接入控制 MAC 層以及網(wǎng)絡(luò)層 在具體設(shè)計(jì)過程中 將借鑒已 有物理層 MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議層次 在此基礎(chǔ)上 加入具有認(rèn)知無線電特 性的功能模塊 協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合算法與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行系統(tǒng)性地考慮 由于 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 而算法又與所采用的 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 三者之間 相輔相成 互相影響 因此在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)過 程中 應(yīng)建立一個(gè)初步的框架 然后結(jié)合算法設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果不 斷 修訂 最終完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì) 協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮相容性 即考 慮與其他系統(tǒng)之間的協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)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(tǒng)共存 因此在認(rèn)知無線電協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)充分考慮與其 它系統(tǒng)之間的共存問題 現(xiàn)有認(rèn)知無線電系統(tǒng)的一些協(xié)議體系都是以分層協(xié)議 棧為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的 這種分層和模塊化的設(shè)計(jì)在將新技術(shù)融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 時(shí)具有一定優(yōu)勢 3 3 1 CORVUS 的協(xié)議體系 CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)基于通用的OSI ISO協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 如圖3 1所示 從這 個(gè)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)可以看到 主要涉及了物理層與鏈路層 在物理層中 與認(rèn)知無 線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊包括 頻譜感知 信道估計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊 系 統(tǒng)內(nèi)SU間的控制和感知信息是通過兩個(gè)專用邏輯信道通用控制信道 UCC 和組 控制信道 GCC 來實(shí)現(xiàn)傳送 UCC是系統(tǒng)唯一的公用控制信道 每個(gè)SU預(yù)先知 道 每個(gè)SUG擁有一個(gè)GCC負(fù)責(zé) 交換組內(nèi)控制和感知信息 在鏈路層上 與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊是 組管理模塊 鏈 路管理模塊和介質(zhì)接入控制模塊 組管理模塊 CORVUS體系結(jié)構(gòu)假定系統(tǒng)由主用戶 PU 和具有認(rèn)知能力的 SU組成 PU是某些頻段的合法擁有者 SU在認(rèn)知無線電技 術(shù)支持下借用PU暫 時(shí)未使用頻段通信 多個(gè)SU組成SU組 任何一個(gè)SU均屬于某個(gè)組 系統(tǒng)通過 定義的信道全局控制信道用來進(jìn)行組的管理 新加入網(wǎng)絡(luò)的SU加入已存在的某 個(gè) SUG或者新生成一個(gè)組 從 UCC處獲取所必需的信息 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)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(jì) 數(shù)據(jù)傳 輸 MAC 媒體接入控制 圖 3 1 CORVUS 的協(xié)議結(jié)構(gòu) 鏈路管理模塊 該模塊負(fù)責(zé)兩個(gè)SU之間的通信建立和鏈路維護(hù) 鏈路層基 于感知信息 信道估計(jì)或者用戶 法規(guī)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(shí) 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(rèn)知無線電系統(tǒng)中比較有挑戰(zhàn)性的部分 在多分組多用 戶系統(tǒng)中 MAC要能夠提供多個(gè)SU并發(fā)接入一個(gè)鏈接的能力 甚至要能夠管理 多個(gè)SU的多個(gè)鏈接并發(fā)使用同一子信道 3 3 2 XG 項(xiàng)目的協(xié)議體系 美國國防部高級研究計(jì)劃署 DARPA 資助的XG項(xiàng)目也在積極關(guān)注動態(tài)使用 頻譜問題 XG系統(tǒng)設(shè)定普通協(xié)議分層模型不需重 新修改傳統(tǒng)MAC協(xié)議 只需 適當(dāng)升級即可 例如傳統(tǒng)收發(fā)機(jī)應(yīng)用程序接口 API 可加入XG原語集成為XG改 進(jìn)收發(fā)機(jī)API 如圖3 2所示 XG范圍只包括在物理層和MAC層 網(wǎng)絡(luò)層及其 以上層也不需 做改動 最終系統(tǒng)形式是完全具有XG特性的MAC層和物理層 但現(xiàn)階段主要研究內(nèi)容是圖上中間部分示意的系統(tǒng)協(xié)議結(jié)構(gòu) 將具有XG特 性和功能的層次模塊集合進(jìn)原有通信系統(tǒng)中 在這樣的XG的協(xié)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(gè)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(qiáng)度的平 均化處理就被設(shè)計(jì)在物理層進(jìn)行 這就必須考慮協(xié)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(jìn)行相應(yīng)處理 XG處理模塊利用物理層發(fā)送和交換頻譜利用信息 與物理網(wǎng)絡(luò)上的其它成員協(xié) 調(diào)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(fā)端也不會造成信號阻塞 各XG處理模塊彼此 協(xié)調(diào) 執(zhí)行動態(tài)頻譜共享 限制對主用戶的干擾 還產(chǎn)生物理層的狀態(tài)信息 XG MAC層上增加的XG處理模塊進(jìn)一步分解為 機(jī)會識別 機(jī)會分配 機(jī)會使 用3個(gè)模塊 機(jī)會識別模塊 決定可用的傳輸機(jī)會集并加上相應(yīng)的約束條件 機(jī) 會集是動態(tài)的 隨時(shí)間變化 可用的傳輸機(jī)會為XG全部節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集服務(wù) 特別是在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn) 機(jī)會識別是一個(gè)分布式工作 可能 包括感知頻譜機(jī)會 鑒別可用機(jī)會并賦予約束條件 比如時(shí)間窗口 最大功率和 發(fā)射參數(shù) 向目標(biāo)地區(qū)分發(fā)信息等內(nèi)容 機(jī)會分配模塊 以分布式方式將機(jī)會識別模塊確定的可用傳輸 機(jī)會分配給 XG節(jié)點(diǎn) 它使用機(jī)會信息和約束條件創(chuàng)建一個(gè)動態(tài)分配表 分配表實(shí)際上是個(gè) 分布式的數(shù)據(jù)庫 包含對各個(gè)XG節(jié) 點(diǎn)分配的頻率 時(shí)間間隔或碼字 分 配也是隨時(shí)間變化的 它可以基于任意介質(zhì)接入控制方式 載波監(jiān)聽媒體接 入 沖突避免 CSMA CA 頻分多址 FDMA TDMA CDMA 或者幾者結(jié)合 機(jī)會使用模塊 指的是在給定的傳輸機(jī)會上進(jìn)行通信的物理層機(jī)制 它也要負(fù) 責(zé)記錄機(jī)會使用機(jī)制和收發(fā)機(jī)參數(shù)上下限值 此功能模塊的作用就是確保一個(gè) 數(shù)據(jù) 包在滿足約束條件下盡可能快地傳送 存在很多可能的機(jī)會使用機(jī)制 模塊并 不限定使用某種特定實(shí)現(xiàn)機(jī)制 在分配和識別模塊間構(gòu)造了一個(gè)機(jī)會API 它是 個(gè)XG內(nèi)部的API 作用是清晰分開決定傳輸機(jī)會和使用機(jī)會2種功能 這個(gè)API 的使用便于對2個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立細(xì)化 在同一個(gè)系統(tǒng)框架下分別地采用不同方法 執(zhí)行 傳輸層 傳輸層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 MAC 層XG 過程 繼承 MA C 層 XG 優(yōu)化 MAC 層 物理層 物理層 XG 優(yōu)化物理層 XG 控制 繼 承 XG 增強(qiáng) XG 增強(qiáng) 收發(fā) 機(jī) API 收發(fā) 機(jī) API 收 發(fā) 機(jī) API 3 3 3 WRAN 的協(xié)議體系 WRAN的IEEE 802 22 標(biāo)準(zhǔn)包括物理層和MAC的協(xié)議 與IEEE 802 16 系 列中的結(jié)構(gòu) 管理和互聯(lián)等要求保持一致性 IEEE 802 22 協(xié)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(shù)以及分布式檢測等方法 來可靠地感知某時(shí)刻 某地區(qū)的電視頻段中各子信 道是否被授權(quán)的電視信號 ATSC DVB T DMB T等制式 占用 使認(rèn)知用戶 能夠在對授權(quán)用戶系統(tǒng)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(quán)用戶的信號進(jìn)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(yīng)以及隱藏節(jié)點(diǎn)等問題的出現(xiàn) 從而增加了單個(gè)認(rèn)知無線電用戶檢測某頻 段是否存在原始用戶的結(jié)果不確定性 為了克服這一系列問題 有必要聯(lián)合位 于不同位置的多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式地聯(lián)合檢測 可能的合并算法包括 與 或 和 K秩 等 MAC協(xié)議方面 主要參照應(yīng)用于固定寬帶無線接入的IEEE 802 16 標(biāo)準(zhǔn) 并根據(jù)WRAN的特點(diǎn)與要求做了相應(yīng)的修改與擴(kuò)展 并將該MAC協(xié)議成為認(rèn) 知MAC協(xié)議 在對認(rèn)知無線電系統(tǒng)極為重要的頻譜管理方面 MAC協(xié)議中不 僅引入了使得WRAN各覆蓋區(qū)域相重疊的BS能更加有效地共享無線頻譜的共存 信標(biāo)協(xié)議 同時(shí)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(shí)現(xiàn)頻譜管理 與IEEE 802 16 一樣 WRAN采取面向連接的通信機(jī)制 從 而便于提供靈活的QoS服務(wù) 協(xié)議支持單播 多播和廣播服務(wù) 并采用聯(lián)合接 入方案以在滿足延遲與帶寬要求的同時(shí) 對用戶間的連接進(jìn)行有效的管理與控 制 這主要 通過4種不同的上行調(diào)度機(jī)制來完成 而這4種調(diào)度機(jī)制又通過主動帶寬獲 API 應(yīng)用程序接口 MAC 媒體接入控制 圖 3 2 XG 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 取 投票選舉和競爭3個(gè)過程來實(shí)現(xiàn) IEEE 802 22 協(xié)議中提出的參考結(jié)構(gòu)模型如圖3 3 即由一個(gè)頻譜管理模塊 和多個(gè)MAC 物理層模塊構(gòu)成 而CPE僅由一個(gè)MAC 物理層模塊構(gòu)成 其中 頻譜管理模塊使得系統(tǒng)能夠使用不連續(xù)的信道 并同時(shí)保持了MAC協(xié)議的簡單 性和可擴(kuò)展性 該模塊負(fù)責(zé)觀察整個(gè)目標(biāo)頻段 并將可用的空閑信道根據(jù)一定 標(biāo)準(zhǔn) 如每個(gè)模塊連接的終端數(shù) 通信要求 傳輸距離等 分配給各個(gè)MAC 物理 層模塊 此外 頻譜管理模塊還應(yīng)能夠處理不同模塊的請求 如因信道質(zhì)量發(fā) 生變化導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入 為達(dá)到在不干擾授權(quán)用戶的條件下有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)會式頻譜利用 認(rèn)知無線 電網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制 MAC 層不僅需要提供傳統(tǒng)的服務(wù) 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(shí)長的 設(shè)置 檢測信道的選取和檢測靜默期的設(shè)置等實(shí)現(xiàn)檢測策略和參數(shù)的選 取及優(yōu)化 接入控制主要采用與授權(quán)用戶協(xié)調(diào)接入和透明接入兩種方式避免與 授權(quán)用戶的接入產(chǎn)生碰撞 動態(tài)頻譜分配針對二進(jìn)制干擾模型和累積干擾模型 進(jìn)行不確定 頻譜資源的優(yōu)化分配 安全機(jī)制通過增加mac幀的認(rèn)證和保密以防 御mac層的安全攻擊 跨層設(shè)計(jì)結(jié)合物理層和網(wǎng)絡(luò)層 傳輸層等上層信息設(shè)計(jì) 和實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的mac層技術(shù) 3 4 1 CRN 中 PHY 層中的關(guān)鍵技術(shù) 1 寬帶射頻前端技術(shù) 為了提供寬帶頻譜感知能力 CR的射頻前端必需能夠調(diào)諧到大頻譜范圍內(nèi) 的任意頻帶 接收的信號通過放大 混頻和A D轉(zhuǎn)換等步驟后送入基帶處理 進(jìn)行頻譜感知或數(shù)據(jù)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(shí)最小化噪聲 鎖相環(huán) PLL 壓控振蕩器 VCO 和混頻器聯(lián)合控制 將所需要的接收信號轉(zhuǎn)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(tài)范圍內(nèi)的輸入信號經(jīng)放大器的輸出功率恒定 針對CR應(yīng)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(tài) 范圍內(nèi)檢測弱信號 為此 需要采樣速率高達(dá)幾吉赫茲的高速A D轉(zhuǎn)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(qiáng)信號 降低信號的動態(tài)范圍 或采用智能天線技術(shù) 通過空域?yàn)V波來實(shí)現(xiàn) 強(qiáng)信號濾出 2 頻譜感知技術(shù) 頻譜感知技術(shù)是CR應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提 現(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)可分類為 單節(jié)點(diǎn)感知是指單個(gè)CR節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進(jìn)行頻單節(jié)點(diǎn)感知譜特性 標(biāo)識 單節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)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(yōu)缺點(diǎn) 實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常結(jié)合使用 圖 3 3 IEEE 802 22 的協(xié)議參考模型 協(xié)同感知則是通過數(shù)據(jù)融合 基于多個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果將進(jìn)行綜合判決 協(xié)同頻譜感知的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以有效的消除陰影效應(yīng)的影響 協(xié)同感知可以 采用集中或者分布式的方式進(jìn)行 集中式協(xié)同感知是指各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)將本地感 知結(jié)果送到基站 BS 或接入點(diǎn) AP 統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)融合 做出決策 分布式協(xié)同 感知則是指個(gè)節(jié)點(diǎn)間 相互交換感知信息 各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)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(jìn)行頻譜 感知 但這種方法通常要求CR節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶的位置 目前尚面臨很多問題 3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對于CR實(shí)現(xiàn)利用空閑頻譜進(jìn)行通信 從而整體上提高頻譜利 用率的主要目標(biāo)非常關(guān)鍵 由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍 并且不 連續(xù) 因此CR數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必需能夠適應(yīng)可用頻譜的這一特性 目前 實(shí)現(xiàn)頻 譜自適應(yīng)CR數(shù)據(jù)傳輸有2個(gè)基本途徑 采用多載波技術(shù)或采用基帶信號發(fā)射波 形設(shè)計(jì) 在多載波傳輸技術(shù)中 正交頻分復(fù)用 OFDM 是最佳候選技術(shù) 其基 本思想是將可用整個(gè)頻帶劃分成OFDM子載波 只利用沒有被授 權(quán)用戶占用的 子載波傳輸數(shù)據(jù) 構(gòu)成所謂的非連續(xù)OFDM NC OFDM 子載波的分配則通過 頻譜感知和判決的結(jié)果 以分配矢量的方式實(shí)現(xiàn) 例如 在進(jìn)行OFDM調(diào)制時(shí) 可以將已被授權(quán)用戶占用的子載波置零 從而避免對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾 同時(shí) 考慮到頻譜滲漏的問題 還有必要留出足夠的保護(hù)子載波 同時(shí) 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(tǒng)實(shí)現(xiàn)的 復(fù)雜度 OFDM技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)靈活 但也面臨同步 信道估計(jì)以及高 峰平比的問題 3 4 2 CRN 中 MAC 層中的關(guān)鍵技術(shù) 為實(shí)現(xiàn)CR用戶利用頻譜空穴的同時(shí)避免對授權(quán)用戶造成有害干擾 要求 CR網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制 MAC 層不僅提供傳統(tǒng)的服務(wù) 如媒體接入控制和健 壯的數(shù)據(jù)傳輸 還能支持一套全新的功能 即在不干擾授權(quán)用戶的條件下有效 地實(shí)現(xiàn)機(jī)會頻譜利用 這些新的功能體現(xiàn)在MAC層的頻譜檢測管理 接入控制 動態(tài)頻譜分配 安全機(jī)制及跨層設(shè)計(jì)等各個(gè)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(shí)長的設(shè)置 檢測信道的選取和檢測 靜默期的設(shè)置等實(shí)現(xiàn)檢測策略和參數(shù)的選取及優(yōu)化 接入控制主要采用與授權(quán) 用戶協(xié)調(diào)接入和透明接入控制兩種方式避免與授權(quán)用戶的接入產(chǎn)生碰撞 動態(tài) 頻譜分配針對二進(jìn)制干擾模型和累積干擾模動態(tài)頻譜分配型進(jìn)行不確定頻譜資 源的優(yōu)化分配 安全機(jī)制通過增加MAC幀的認(rèn)證和保密以防御MAC安全機(jī)制層 的安全攻擊 跨層設(shè)計(jì)結(jié)合物理層和網(wǎng)絡(luò)層 傳輸層等上層信跨層設(shè)計(jì)息設(shè)計(jì) 和實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的MAC層技術(shù) 第 4 章 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 4 1 引言 同其他類型的通信網(wǎng)絡(luò)相比 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)在于利用頻譜空穴進(jìn)行 機(jī)會接入 通俗來講 就是在授權(quán)用戶空閑時(shí) 借用 授權(quán)用戶的使用頻率 從這個(gè)角度考慮 組建一個(gè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 最重要的技術(shù)問題就是如何更 好的利用頻譜空穴進(jìn)行機(jī)會接入 具體地說 就是解決 如何發(fā)現(xiàn)頻譜空穴 和 如何利用頻譜空穴 這兩個(gè)問題 所以 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)研究的兩個(gè)關(guān)鍵技 術(shù)就是頻譜感知技術(shù)和頻譜分配技術(shù) 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)顯然應(yīng)當(dāng)具備一般認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 與此同時(shí) 它 也應(yīng)當(dāng)和其他典型的小范圍 短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)介紹認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 短距離無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù) 并列 出幾種典型的短距離無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn) 由此引出接下來的研究重點(diǎn) 即認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)和短距離通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合 4 2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知 4 2 1 頻譜感知的功能和特點(diǎn) 頻譜感知的目的是及時(shí)準(zhǔn)確的感知到在某時(shí)和某地是否存在可供認(rèn)知用戶 使用的空閑頻段 同時(shí)在認(rèn)知用戶使用時(shí)能夠隨時(shí)檢測是否有授權(quán)用戶使用該 頻段 以使認(rèn)知用戶及時(shí)退出頻段 狹義的頻譜感知指的是對單個(gè)節(jié)點(diǎn)而言的 頻譜感知 也就是單個(gè)節(jié)點(diǎn)在獨(dú)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(gè) 一是對頻譜空穴的尋找 充分利用機(jī)會 二是通信過程中對授權(quán)用戶的檢測 及時(shí)感知授權(quán)用戶的狀態(tài) 盡量避免對 授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾 出于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)特殊的應(yīng)用環(huán)境 頻譜感知也有其自身 的特點(diǎn) 首先 它只需判斷授權(quán)用戶是否存在 而不需要從授權(quán)用戶那里獲取 信息 因此 頻譜感知不必識別授權(quán)用戶的波形 調(diào)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(wǎng)絡(luò)環(huán)