《認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)》word版

1、 本文由duan923lang貢獻(xiàn) ppt文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 -認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò) 昆明理工大學(xué)信自學(xué)院通信系 彭藝 一、無(wú)線電技術(shù)的概念及發(fā)展 傳統(tǒng)(硬件) 傳統(tǒng)(硬件)無(wú)線電 軟件無(wú)線電 SDR） 認(rèn)知無(wú)線電（ （SDR） 認(rèn)知無(wú)線電（智能無(wú)線電 CR） CR） 傳統(tǒng)無(wú)線電(硬件無(wú)線電HR) 1.1 傳統(tǒng)無(wú)線電(硬件無(wú)線電HR) 在硬件中執(zhí)行所有的無(wú)線電功能， 在硬件中執(zhí)行所有的無(wú)線電功能，任何功能變化 都要求用物理手段實(shí)現(xiàn)。 都要求用物理手段實(shí)現(xiàn)。所有無(wú)線電都能夠進(jìn)行 調(diào)諧以選取特定(有限制的)頻率范圍， 調(diào)諧以

2、選取特定(有限制的)頻率范圍，而改變這 種調(diào)諧需要一定時(shí)間。傳統(tǒng)上， 種調(diào)諧需要一定時(shí)間。傳統(tǒng)上，在無(wú)線電硬件中 定義了這些調(diào)諧特性， 定義了這些調(diào)諧特性，目的是使這些特性可編程 化。 軟件無(wú)線電(SDR) 1.2 軟件無(wú)線電(SDR) 軟件無(wú)線電(Software Defined Radio)是近幾年來(lái)提出 的一種實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的新概念和體制。它的核心是：將 寬帶 AD和DA變換器盡可能地靠近天線，而電臺(tái)功能 盡可能地采用軟件進(jìn)行定義。軟件無(wú)線電把硬件作為無(wú) 線通信的基本平臺(tái)，對(duì)于無(wú)線通信功能盡可能用軟件來(lái) 實(shí)現(xiàn)。這樣，無(wú)線通信系統(tǒng)具有很好的通用性、靈活性， 使系統(tǒng)互聯(lián)和升級(jí)變得非常方便，這很

3、可能使軟件無(wú)線 電成為繼模擬通信到數(shù)字通信和固定通信到移動(dòng)通信之 后的無(wú)線通信領(lǐng)域的第三次突破。 軟件無(wú)線電在通信系統(tǒng)中，特別是在第三代移動(dòng)通信系 統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越成為研究的熱點(diǎn)。 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的軟件無(wú)線電技術(shù) 在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)與系統(tǒng)的特點(diǎn)中， 最核心的問題是提供不同環(huán)境下的多媒體業(yè)務(wù)及實(shí)現(xiàn)包含 水、陸、空的全球覆蓋。因而它要求實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的綜合： 無(wú)線網(wǎng)與有線網(wǎng)的綜合，移動(dòng)網(wǎng)與固定網(wǎng)的綜合，陸地網(wǎng) 與衛(wèi)星網(wǎng)的綜合。這樣可以提供全球無(wú)縫覆蓋，為用戶提 供在無(wú)線與有線環(huán)境下統(tǒng)一的業(yè)務(wù)使用方式，又適應(yīng)多種 業(yè)務(wù)環(huán)境，且與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容，便于平滑升級(jí)。 對(duì)于通信終端

4、而言，它面對(duì)的是多種網(wǎng)絡(luò)的綜合系統(tǒng)，因 而需要實(shí)現(xiàn)多頻多模式終端（手機(jī)）。 3G中的終端問題 3G中的終端問題 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)可支持的速率為室內(nèi)靜止 2Mbits，步行移動(dòng)384kbits，車速移動(dòng) 144kbits，衛(wèi)星移動(dòng)9.6kbits，所以手機(jī)要 適應(yīng)寬帶多業(yè)務(wù)的要求。軟件無(wú)線電為通信系統(tǒng) 提供一種新型的結(jié)構(gòu)，那就是利用統(tǒng)一的硬件平 臺(tái)，不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。只有軟件無(wú) 線電技術(shù)才能解決多頻多模式多業(yè)務(wù)終端問題 。 3G中的軟件無(wú)線電應(yīng)用 3G中的軟件無(wú)線電應(yīng)用 具體地講，軟件無(wú)線電技術(shù)在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中 的應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）為第三代移動(dòng)通信手機(jī)與基站提供了

5、一個(gè)開放的、 模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； （2）智能天線結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，空間特征矢量包括DOA（來(lái)波 方向估計(jì)）的獲得、每射頻通道權(quán)重的計(jì)算和天線波束賦 形； （3）各種信號(hào)處理軟件的實(shí)現(xiàn)，包括各類無(wú)線信令規(guī)則 與處理軟件、信號(hào)流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道 糾錯(cuò)編碼軟件、信源編碼軟件算法等。 軟件無(wú)線電技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字 信號(hào)處理技術(shù)在無(wú)線電通信中應(yīng)用的產(chǎn)物。它在我國(guó)提出的 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)TD-SCDMA中，應(yīng)用就更廣泛了。 SCDMA系統(tǒng)的基站和終端都采用了高速數(shù)字處理器和高速A D變換器，處理速度高于每秒5千萬(wàn)次，全部基帶信號(hào)處理和 變換都用軟件來(lái)完成。在SCDMA中

6、軟件無(wú)線電將實(shí)現(xiàn)如下功 能： （1）提供一個(gè)開放的模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； （2）智能無(wú)線的實(shí)現(xiàn)； （3）同步檢測(cè)、建立和保持； （4）用戶終端DQPSK（差分正交移相鍵控）解調(diào)器中的載波恢復(fù)、頻率校 準(zhǔn)和跟蹤； （5）每碼道功率的檢測(cè)和發(fā)射功率控制的實(shí)現(xiàn)； （6）接收通道的電平檢測(cè)和接收增益控制； （7）擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)，包括WAtsH（沃什）碼和PN（偽隨機(jī)）碼的產(chǎn)生； （8）語(yǔ)音編譯碼； （9）DTMF（雙音多頻）、MFC（多頻編碼）及各種信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)； （10）信道編碼、復(fù)接和分接； （11）發(fā)射脈沖成形濾波； （12）SWAP（交換）信令的差錯(cuò)檢測(cè)； （13）接收信令的差錯(cuò)檢測(cè)； （14

7、）發(fā)射通道的數(shù)字預(yù)失真； （15）基站收發(fā)信機(jī)的校準(zhǔn)。 3G手機(jī) 廣州、北京、上海、沈陽(yáng)、深圳、秦皇島、廈門 等主要8個(gè)奧運(yùn)城市于2008年8月開賣TD-SCDMA手 機(jī)，正式拉開中國(guó)3G應(yīng)用的序幕 。 視頻通話”“手機(jī)電視” ”“手機(jī)電視 高速無(wú)線上網(wǎng)” “視頻通話”“手機(jī)電視”和“高速無(wú)線上網(wǎng)” 成為3G 3G特色業(yè)務(wù) 成為3G特色業(yè)務(wù) 。 作為中國(guó)首批商用 3G手機(jī)，三星 SGH-L288 不僅標(biāo)志了中國(guó)3G 時(shí)代 的來(lái)臨 ,更樹立了 SAMSUNG Anycall 在3G 終端市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。 3G標(biāo)準(zhǔn) 3G標(biāo)準(zhǔn) 目前，主流的3G技術(shù)有三種制式： 目前，主流的3G技術(shù)有三種制式： 3G

8、技術(shù)有三種制式 分別為 WCDMA（聯(lián)通） WCDMA（聯(lián)通） CDMA2000（電信） CDMA2000（電信） TD-SCDMA（移動(dòng)）。 TD-SCDMA（移動(dòng)）。 CR技術(shù)出現(xiàn)背景 CR技術(shù)出現(xiàn)背景 （1）終端動(dòng)態(tài)選擇信道的需求 今天，采用同一個(gè)無(wú)線電，你不能同時(shí)利用2.4GHz 和5GHz的WLAN信號(hào)，除非你實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單獨(dú)的無(wú)線路徑來(lái) 處理各自的波形。假設(shè)SDR技術(shù)將在今后幾年內(nèi)解決這一 問題，則下一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是找到一個(gè)能動(dòng)態(tài)接收或自 動(dòng)發(fā)射不同類型波形的SDR解決方案，使它能自適應(yīng)于本 地環(huán)境并搜索可用于通信的開放頻率。為此，認(rèn)知（感 知）無(wú)線電成為學(xué)術(shù)及研發(fā)界的重要課題。 （2

9、）頻譜資源的緊張 Static licensing : Pros: Effectively controls interferenc Simple to design hardware Cons: Multiple allocation over all of the band A crisis of spectrum availability Utilization of 0.5% in the 3-4 GHz And 0.3% in 4-5 GHz A new approach to spectrum licensing is needed 認(rèn)知無(wú)線電(CR) 1.3 認(rèn)知無(wú)線電(CR)

10、認(rèn)知無(wú)線電也被稱為智能無(wú)線電。從廣義上來(lái)說(shuō)是指無(wú) 線終端具備足夠的智能或者認(rèn)知能力，通過(guò)對(duì)周圍無(wú)線 環(huán)境的歷史和當(dāng)前狀況進(jìn)行檢測(cè)、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(wú)線資源（包括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等）完成 無(wú)線傳輸。認(rèn)知無(wú)線電能夠幫助用戶自動(dòng)選擇最好的、 最廉價(jià)的服務(wù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，甚至能夠根據(jù)現(xiàn)有的或者 即將獲得的無(wú)線資源延遲或主動(dòng)發(fā)起傳送。 Term coined by Mitola in 1999 Mitolas definition: Software radio that is aware of its environment and its

11、 capabilities Alters its physical layer behavior Capable of following complex adaptation strategies “A radio or system that senses, and is aware of, its operational environment and can dynamically and autonomously adjust its radio operating parameters accordingly” Learns from previous experiences De

12、als with situations not planned at the initial time of design CR技術(shù)的基本概念 1.4 CR技術(shù)的基本概念 自1999年“軟件無(wú)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(lái)，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 和著名學(xué)者Simon Haykin教授的 定義。 FCC認(rèn)為：“CR是能夠基于對(duì)其工作環(huán) 境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線電”。 CR定義 CR定義 Simon Haykin則從信號(hào)處理的角度出發(fā)，認(rèn)為：“CR是 一個(gè)智能無(wú)線通信系

13、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(guò)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(wú)線信號(hào)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(duì)頻譜資源 的有效利用。 Architecture Basic Non-Cognitive Radio Architecture: Spectrum Scanning and Interference Avoidance Module Channel Pooling Server Spectrum Analysis Engine Scanning Engine Cogniti

14、ve Radio architecture: Networked Device Antenna Sharing Module Processor Processor Data Modem Data Modem Transmitter Transmitter and Receiver and Receiver Wireless Data Transceiver Subsystem Module 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(wú)線環(huán)境中捕獲或者 感知信息，從而可以標(biāo)識(shí)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

15、工作參數(shù)。 這一任務(wù)通常采用圖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、 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(cè)可用頻段，檢測(cè)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(wú)線環(huán)境動(dòng)態(tài)編程， 從而允許CR設(shè)備采用不同的無(wú)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(duì)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

16、旦該頻段被LU使用，CR有2種應(yīng)對(duì)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(duì)LU的有害干擾。 認(rèn)知無(wú)線電與軟件無(wú)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(wú)線電(SDR)進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE) 的定義，一個(gè)無(wú)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(hào)處理通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)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(wú)線電系統(tǒng)信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方式； 而CR是指無(wú)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(hào)

17、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(lái)說(shuō)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)必須具備以下基本功能： 一般來(lái)說(shuō)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)必須具備以下基本功能： (1)對(duì)無(wú)線環(huán)境的場(chǎng)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(cè)。 (2)信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)，主要有信道狀態(tài)信息的 估計(jì)、信道容量的預(yù)測(cè)。 (3)功率控制和動(dòng)態(tài)頻譜管理。 CR當(dāng)前的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn) CR當(dāng)前的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn) 當(dāng)前，認(rèn)知無(wú)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(wú)線電相關(guān)技術(shù)的研究中，啟動(dòng) 了很多針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的重要研究項(xiàng)目。例如德國(guó)高校提 出的頻譜池系統(tǒng)、美國(guó)加州大學(xué)Berkele

18、y分校研究組開發(fā) 的COVUS系統(tǒng)、美國(guó)Georgia理工學(xué)院寬帶和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn) 室提出的OCRA項(xiàng)目，美國(guó)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(dòng)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(guó)際年會(huì)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(wú)線接入的技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個(gè)引入認(rèn)知無(wú)線電概念的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 化活動(dòng)。 2004年10月，IEEE正式成立IEEE802.22工作組， IEEE802.22別名稱為“Wireless Re

19、gional Area Network(WRAN，無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò))”。該工作組的目的就是 使用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶(北 美為54MHz862MHz)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(wú)線頻率應(yīng)用 技術(shù)！ IEEE802.22將要制定的是無(wú)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(guò)去的無(wú)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(guò)40km。如果此目 標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，總計(jì)300MHz400MHz的頻帶將可用于室外寬 帶通信。 Cognitive

20、 Radio Capabilities Frequency Agility ability of a radio to change its operating frequency, combined with ability to dynamically select appropriate operating frequency based on, for example, sensing of signals from other transmitters (DFS) Transmit Power Control transmission at allowable limits when

21、 necessary but reducing transmit power to allow greater sharing of spectrum when higher power operation is not necessary Spectrum Sharing Mechanism enabling sharing of spectrum under terms of anagreement between licensee and a third party Cognitive Radio Capabilities (contd) Adaptive Modulation modi

22、fying transmission characteristics and waveforms to exploit opportunities to use spectrum Location Determination ability to determine its location and location of other transmitters, then select the appropriate operating parameters (e.g. power, frequency) allowed at its location Security Features -

23、incorporated to permit only authorized use and prevent unauthorized modifications Improve Access to Spectrum without causing interference = more spectrum Exploit frequency and geography (frequency re-use) now Exploit Time in the near future Exploit Spatial (e.g., Smart Antennas) in the farther futur

24、e Can Assess Signal Environment Spectrum estimation and Beacon processing ID Signal Formats Location Aware Reconfigurability Adapt Modulation/Coding Power Control Frequency Agility It knows where it is It knows what services are available, for example, it can identify then use empty spectrum to comm

25、unicate more efficiently It knows what services interest the user, and knows how to find them It knows the current degree of needs and future likelihood of needs of its user Learns and recognizes usage patterns from the user Applies “Model Based Reasoning” about user needs, local content, environmen

26、tal context Sensing Radio Wideband Antenna, PA and LNA High speed A/D & D/A, moderate resolution Simultaneous Tx & Rx Scalable for MIMO Physical Layer OFDM transmission Spectrum monitoring Dynamic frequency selection, modulation, power control Analog impairments compensation MAC Layer Optimize trans

27、mission parameters Adapt rates through feedback Negotiate or opportunistically use resources PA D/A IFFT MAE/ POWER CTRL ADAPTIVE LOADING TIME, FREQ, SPACE SEL QoS vs. RATE LNA A/D FFT CHANNEL SEL/EST INTERFERENCE MEAS/CANCEL LEARN ENVIRONMENT FEEDBACK TO CRs RF/Analog Frontend Digital Baseband MAC

28、Layer 基于RKRL語(yǔ)言和SDR平臺(tái)的認(rèn)知無(wú)線電 基于RKRL語(yǔ)言和SDR平臺(tái)的認(rèn)知無(wú)線電 RKRL語(yǔ)言和SDR 軟件無(wú)線電(SDR)是一種多波段多模式個(gè)人通信系統(tǒng)平臺(tái)，其通 過(guò)射頻帶寬、空氣介面、協(xié)議、空間和實(shí)時(shí)模式的靈活變化來(lái)緩解 無(wú)線頻譜的緊缺狀況。 認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)在無(wú)線域建模來(lái)擴(kuò)展軟件無(wú)線電的功能，通過(guò) 無(wú)線知識(shí)描述語(yǔ)言(RKRL)來(lái)加強(qiáng)個(gè)人服務(wù)的靈活性。RKRL描述的內(nèi) 容包括了無(wú)線方式、設(shè)備、軟件模塊、傳輸、網(wǎng)絡(luò)、用戶需求和根 據(jù)用戶的需求而自動(dòng)配置的應(yīng)用方式。RKRL語(yǔ)言可以在軟件無(wú)線電 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，這樣的平臺(tái)將無(wú)線節(jié)點(diǎn)從僅僅執(zhí)行事先確定好的協(xié)議 轉(zhuǎn)變成無(wú)線域的智能代理，實(shí)現(xiàn)

29、了原先固定功能和通信模式的系統(tǒng) 轉(zhuǎn)變成為智能通信系統(tǒng)的變革。 通過(guò)RKRL，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)知道高級(jí)語(yǔ)言配置均衡器接口和接口線 路延遲結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。均衡器接口和接口線路延遲結(jié)構(gòu)采用特定 應(yīng)用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列(FPGA)或者某種軟件無(wú)線電 算法實(shí)現(xiàn)。認(rèn)知無(wú)線電有自己的內(nèi)部構(gòu)架模型，如圖7所示，能夠通 過(guò)相應(yīng)的模式解決出現(xiàn)的問題。 軟件無(wú)線電平臺(tái)硬件包括天線、無(wú)線射頻轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)器和圖 7中所示基帶處理器、用戶接口等硬件模塊?；鶐幚砥靼ɑ鶐д{(diào) 制解調(diào)器和一個(gè)終端控制協(xié)議棧，此外還包括一個(gè)感知裝置和一個(gè)算 法模塊。算法模塊包含用來(lái)描述無(wú)線電本身的RKRL結(jié)構(gòu)、均衡器以及

30、 其中的所有的本體，用RKRL來(lái)寫，即以軟件來(lái)替代硬件功能。 實(shí)現(xiàn)上述功能，高端內(nèi)存、計(jì)算算法和通信的帶寬對(duì)認(rèn)知無(wú)線電 都是必需的。根據(jù)外部環(huán)境變化調(diào)整通信系統(tǒng)的配置不會(huì)花很長(zhǎng)的時(shí) 間，一般認(rèn)知無(wú)線電也不需要人來(lái)干涉它的工作過(guò)程。如果要對(duì)認(rèn)知 無(wú)線電進(jìn)行干涉，主要目的也是為了保證無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。很顯 然，這種認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜的自適應(yīng)系統(tǒng)，具有適應(yīng)外界環(huán)境變 化的能力。 無(wú)線電表述語(yǔ)言 除了自然語(yǔ)言，還有幾種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言能夠表達(dá)相關(guān)的無(wú)線 電知識(shí)。但是，大多數(shù)的無(wú)線電語(yǔ)言如規(guī)范描述語(yǔ)言(SDL)、統(tǒng)一建 模語(yǔ)言(UML)、接口定義語(yǔ)言(IDL)等都是用于描述的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，缺 乏準(zhǔn)確性和靈活

31、性。 在認(rèn)知無(wú)線電的研究中，如何表達(dá)外部世界的信息始終是 一個(gè)重要的研究課題。RKRL是瑞典皇家科學(xué)院(KTH)專為認(rèn)知無(wú)線電 開發(fā)的一套語(yǔ)言，是用來(lái)描述整個(gè)事件知識(shí)、計(jì)劃和需求的語(yǔ)言。它 所包括的知識(shí)問詢和操作語(yǔ)言(KQML)就是為了使內(nèi)部知識(shí)的交換變得 更加方便。使用KQML，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)可以分享預(yù)期頻譜需求的計(jì)劃， 可以有效地識(shí)別和租用頻譜。 RKRL提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的能夠?qū)﹄S機(jī)的數(shù)據(jù)交換進(jìn)行動(dòng)態(tài)定義的語(yǔ)言。 RKRL的每個(gè)部分根據(jù)規(guī)則的模式和描述語(yǔ)言的基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)成，其能力來(lái) 自于感知循環(huán)中的模式匹配、計(jì)劃產(chǎn)生能力，由相關(guān)的推理引擎來(lái)調(diào) 整。RKRL包括語(yǔ)法和本體信息。RKRL涉及的范圍包

32、括規(guī)則的模式、語(yǔ) 言定義、推論模式、多語(yǔ)法和無(wú)線的本體。 RKRL是一種并行對(duì)象語(yǔ)言，通過(guò)基于模式的推理綜合了各種語(yǔ)言 的特點(diǎn)。通過(guò)RKRL這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，可動(dòng)態(tài)定義認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)突發(fā)的 數(shù)據(jù)變換，其代理可以快速地通過(guò)操作相關(guān)協(xié)議使無(wú)線規(guī)則更好地滿 足用戶需求，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和反應(yīng)能力。 認(rèn)知無(wú)線電規(guī)則 既然認(rèn)知無(wú)線電能夠主動(dòng)自由地選擇射頻信道、空中接口、 協(xié)議架構(gòu)以及為了和其他用戶競(jìng)爭(zhēng)的服務(wù)價(jià)格，從某些方面來(lái)說(shuō)它和 棋類游戲是類似的。網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)調(diào)這種游戲規(guī)則，許多研究人員采用 博弈論來(lái)進(jìn)行信道頻譜分配和功率控制，未來(lái)在一些頻段認(rèn)知無(wú)線電 系統(tǒng)可以完全和其他系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)達(dá)到無(wú)線電資源均衡利用。進(jìn)

33、行這個(gè)游 戲的平臺(tái)是無(wú)線射頻頻段的各種無(wú)線頻譜、空中接口、智能天線、實(shí) 時(shí)模式以及基礎(chǔ)設(shè)施和手機(jī)等，RKRL提供了描述這種游戲平臺(tái)的語(yǔ)言， 能很好的表述這個(gè)游戲的平臺(tái)和合法使用認(rèn)知無(wú)線電。 認(rèn)知循環(huán) 認(rèn)知無(wú)線電是建立在軟件無(wú)線電平臺(tái)之上的一個(gè)智能無(wú) 線通信系統(tǒng)，它能夠感知外部環(huán)境、使用邊了解邊累積的方法對(duì)外部 環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)，并根據(jù)外部環(huán)境提供的激勵(lì)，對(duì)運(yùn)行參數(shù)(如傳輸功 率、載波頻率、調(diào)制方式等)進(jìn)行相應(yīng)的修改，從而達(dá)到內(nèi)部狀態(tài)的 自適應(yīng)調(diào)整。其主要目的就是提高無(wú)線通信的可靠性和提高無(wú)線頻譜 資源的使用效率。 認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)感知學(xué)習(xí)循環(huán)的完整過(guò)程如圖8所示。圖8中，外部世 界提供激勵(lì)，認(rèn)知無(wú)線

34、電對(duì)這些激勵(lì)進(jìn)行處理和分析，從而提取有益 于提高其系統(tǒng)性能的相關(guān)信息。比如，它可以通過(guò)分析全球定位系統(tǒng) 參數(shù)，或者加上亮度以及溫度決定通信環(huán)境是在室內(nèi)還是室外等等。 這種處理發(fā)生在認(rèn)知循環(huán)的觀察階段，對(duì)引入和發(fā)出的信息進(jìn)行分析 來(lái)獲得容量情況，包括分配給用戶或是用戶所需要提供的容量。有時(shí) 候這需要必要的前后相關(guān)信息來(lái)推測(cè)通信的突發(fā)性以及相關(guān)的內(nèi)在通 信任務(wù)?；谏鲜鲂畔?，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)進(jìn)行通信資源的規(guī)劃分配， 做出決策，啟動(dòng)接入控制過(guò)程，開始通信，并基于信息和學(xué)習(xí)規(guī)則調(diào) 整通信系統(tǒng)狀態(tài)以達(dá)到最優(yōu)性能，然后再開始下一輪感知(觀察)，這 是一個(gè)循環(huán)過(guò)程。 認(rèn)知無(wú)線電禮儀 認(rèn)知無(wú)線電能進(jìn)行有序地工作

35、是因?yàn)樗幸徽讈?lái)規(guī)范行為 的無(wú)線電禮儀規(guī)則，這是一組由射頻頻段、空中接口、協(xié)議、空時(shí)模 型以及為緩解頻譜使用緊張而制訂的高層協(xié)商規(guī)則所組成的規(guī)范模式。 頻譜租用程序、用戶優(yōu)先級(jí)策略和無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言等都為頻譜的 統(tǒng)籌規(guī)范使用提供了保障，為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的頻譜共享提供規(guī)范。 認(rèn)知無(wú)線電禮儀協(xié)議在頻譜有效和混亂之間進(jìn)行權(quán)衡，使得所有的應(yīng) 急服務(wù)、政府、個(gè)人和商業(yè)用戶可以主動(dòng)或被動(dòng)地共享該協(xié)議的成果。 二、認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（CRN） 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（CRN） 無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò) 隨著認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)展和深入研究，Motorola及Virginia Tech等公司提出了無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)）的概念，

36、他們認(rèn) 為無(wú)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(lái)計(jì)劃、決定并行動(dòng)，也就是說(shuō)可以自我配置 來(lái)響應(yīng)和動(dòng)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(shí)和自動(dòng)學(xué)習(xí)，通過(guò)具有網(wǎng)絡(luò)意識(shí)的中間件和網(wǎng)絡(luò)各組成部分 分布式交叉來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能最大化操作者的能力。認(rèn)知無(wú)線 電作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)成智能的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的核心。 2.1 特點(diǎn) 采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的認(rèn)知無(wú)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)： 在多系統(tǒng)共存條件下，分配無(wú)線資源。用戶 在多系統(tǒng)共存條件下，分配無(wú)線資源 間的鏈接需要進(jìn)行有效的控制

37、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(wú)線電小區(qū)的共存、業(yè)務(wù)流對(duì)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?性和所分配的帶寬容量。 系統(tǒng)應(yīng)該具有多信道支持能力。 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鄠€(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

38、道 分組使用同時(shí)也提高了帶寬利用率。主用戶檢測(cè) 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。 系統(tǒng)面臨共存問題。共存問題包括兩個(gè)層次：一 系統(tǒng)面臨共存問題 是對(duì)主用戶系統(tǒng)的干擾問題；二是對(duì)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(duì)主用戶的干擾，分布式頻譜感知、測(cè)量、檢測(cè) 算法以及頻譜管理等認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)所特有的功 能都必須加以考慮?，F(xiàn)實(shí)中，作為覆蓋范圍巨大 的多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電小區(qū)之間很有可能會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響認(rèn)知 無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)工作。 2.2 目前提出的具有代表性的CRN體系結(jié)構(gòu) 目前提出的具有代表

39、性的CRN體系結(jié)構(gòu) CRN 認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)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(guò)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(wú)線信號(hào) 的統(tǒng)計(jì)性變化。 基于CR技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)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?，F(xiàn)有基于 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有美國(guó)的CORVUS系統(tǒng)， 基于IEEE 802.22的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)和支持多信道多接 口的無(wú)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。 1 CORVUS系統(tǒng) 早在2004年

40、美國(guó)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)的業(yè)務(wù)流形式主要?jiǎng)澐譃?種類型：Web式 和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)式。對(duì)應(yīng)于Web式，SU主要工

41、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(lái)提供接入服務(wù)，因此會(huì)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。 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(wú)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(guò)兩個(gè) 專用邏輯信道通用控制信道(UCC)和組控制信道 (GCC)來(lái)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)

42、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(wú)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(wú)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(guò)定義的信道全局控制信道用來(lái)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。 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

43、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(wú)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 2 無(wú)線區(qū)域網(wǎng) 基于IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)使用未使用的電視廣 播信道，在對(duì)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(chǎng)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

44、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(duì)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 多地(TDMA)，即各用戶場(chǎng)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(guò)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(yǔ)音和視頻的用戶網(wǎng)絡(luò)的接 入，通過(guò)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(guò)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。 WRAN的協(xié)議體系 WRAN的IEEE 8

45、02.22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)議中提出的參考結(jié)構(gòu)模型如圖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(jiǎn)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(qǐng)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

46、請(qǐng)求。 3 支持多信道多接口的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò) 支持多信道多接口的無(wú)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(wú)線電接口(如網(wǎng)卡)，可同時(shí)接入一個(gè)或多個(gè)無(wú)線信道， 節(jié)點(diǎn)具有感知無(wú)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。 混合結(jié)構(gòu)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò) 4 XG項(xiàng)目的協(xié)議體系 美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助的XG項(xiàng)目也在積極 關(guān)注動(dòng)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(jí)即可，例如傳統(tǒng)收發(fā)機(jī)應(yīng)用 程序接口(A

47、PI)可加入XG原語(yǔ)集成為XG改進(jìn)收發(fā)機(jī)API，如圖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(dòng)。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?jī)?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(duì)接收信號(hào)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(shí)別出部分特定

48、幀是具有XG特性的并對(duì)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(huì)造成信號(hào)阻塞。各XG處理 模塊彼此協(xié)調(diào)，執(zhí)行動(dòng)態(tài)頻譜共享，限制對(duì)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(huì)識(shí)別、 機(jī)會(huì)分配、機(jī)會(huì)使用3個(gè)模塊： 機(jī)會(huì)識(shí)別模塊：決定可用的傳輸機(jī)會(huì)集并加上相應(yīng)的約束條 件。機(jī)會(huì)集是動(dòng)態(tài)的，隨時(shí)間變化?？捎玫膫鬏敊C(jī)會(huì)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(huì)識(shí)別是一個(gè)分布式工作，可能包括感

49、知頻譜機(jī) 會(huì)，鑒別可用機(jī)會(huì)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(huì)分配模塊：以分布式方式將機(jī)會(huì)識(shí)別模塊確定的可用傳輸 機(jī)會(huì)分配給XG節(jié)點(diǎn)。它使用機(jī)會(huì)信息和約束條件創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài) 分配表。分配表實(shí)際上是個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)，包含對(duì)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(huì)使用模塊：指的是在給定的傳輸機(jī)會(huì)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(huì)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

50、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(huì)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(shí)別模塊間構(gòu)造了一個(gè)機(jī)會(huì)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(huì)和使用機(jī)會(huì)2種功能。這 個(gè)API的使用便于對(duì)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。 CRN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想 CRN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想 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(wú) 線電協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。

51、由于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、靈活、智能的特點(diǎn)，因而對(duì)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(dòng)、無(wú)線環(huán)境變動(dòng)而帶來(lái)的可用頻譜資源的動(dòng)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(wú)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(wú)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(wú)線電技術(shù)的特征 構(gòu)都采用分層結(jié)構(gòu)，在對(duì)認(rèn)知無(wú)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(guò)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(wú)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)

52、絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行系統(tǒng)性地 考慮。 考慮。由于認(rèn)知無(wú)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(guò)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(wú) 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(wú)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

53、現(xiàn)有網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。 CRN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)接入 2.3 CRN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)接入 CRN網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)接入 CRN網(wǎng)絡(luò)動(dòng)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(huì)式頻譜利用， 認(rèn)知無(wú)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(cè)管理通過(guò)對(duì)檢測(cè)模式的選取、檢測(cè)周期及檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)的 設(shè)置、檢測(cè)信道的選取和檢測(cè)靜默期的設(shè)置等實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(dòng)態(tài)頻譜分配針對(duì)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

54、通過(guò)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)。 1. 2. 3. 4. 5. Cellular Networks Cellular Networks MSC: Mobile Switching Center How do different mobile stations communicate simultaneously with the BS? Frequency Division Multiple Access (FDMA) Each mobile device tunes to a freque

55、ncy band Analogous to people talking in different rooms Frequency Division Multiple Access (FDMA) Time Division Multiple Access (TDMA) Each mobile device transmits data in a different time slot Analogous to people talking one by one GSM: Combination of FDMA and TDMA 25 MHz bandwidth divided into 124

56、 carrier frequencies of 200 KHz bandwidth Each carrier frequency divided into 8 time slots using TDMA 3G licenses: Type-A: 40 MHz, Turkcell Type-B: 35 MHz, Vodafone Type-C: 30 MHz, Avea Time Division Multiple Access (TDMA) Code Division Multiple Access (CDMA) Analogous to people talking in different

57、 languages Dynamic Spectrum Access (DSA) PROBLEM : Underutilized spectrum resources due to fixed assignment strategy IDEA : Utilizing “white spaces” in the spectrum without disturbing licensed users CHALLENGE : Sensing the environment, detecting “white spaces” “white spaces” frequently change by tim

58、e and space Changing radio parameters on the fly Frequency Allocation Charts White Space Concept Cognitive Radio (CR) Concept Initially proposed by Mitola Next step evolution of Software Defined Radio (SDR) Cognitive Radio (CR): Intelligent devices that can ： Sense and autonomously reason about thei

59、r environment Adapt their communication parameters accordingly Realize DSA concept Terminology（術(shù)語(yǔ)） Terminology（術(shù)語(yǔ)） Primary User (PU): Licensed user Has exclusive rights for the spectrum Secondary User (SU): Unlicensed user Opportunistically utilizes the white spaces Has to vacate the spectrum band as soon as a PU appears Also called cognitive user Network Architecture Research Problem totalNetworkUtility: Total number of SUs that are satisfied in terms of th