小型認知無線網(wǎng)絡通信協(xié)議的制定與設計.doc

河北聯(lián)合大學輕工學院 QINGGONG COLLEGE HEBEI UNITED UNIVERSITY 畢畢業(yè)業(yè)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(wǎng)絡通信協(xié)議的制定與設計小型認知無線網(wǎng)絡通信協(xié)議的制定與設計 2013 年 05 月 30 日 摘 要 認知無線電網(wǎng)絡具有動態(tài) 靈活 智能地使用頻譜資源 提高頻譜利用率 的特點 其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系的設計是實現(xiàn)上述網(wǎng)絡功能的關鍵 現(xiàn)有基于 認知無線電技術的網(wǎng)絡架構(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 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 提出了一種小型認知無線網(wǎng)絡的頻譜協(xié)同感知方法 并在此基礎上設計了 一種小型認知無線網(wǎng)絡的通信協(xié)議 通過協(xié)議程序復雜度的角度切入 對該協(xié) 議進行了分析 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 點對點通信的機制 盡可能地做到了揚長避短 使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和 復雜度得到了兼顧 關鍵詞 認知無線電 網(wǎng)絡架構(gòu) 網(wǎng)絡協(xié)議 認知無線網(wǎng)絡 協(xié)同感知 通 信協(xié)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(chǎn)生背景和特征 1 1 1 1 CR 技術的產(chǎn)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(fā)展與標準 3 1 2 認知無線網(wǎng)絡的研究背景 4 第 2 章 認知無線網(wǎng)絡的簡介 5 2 1 認知無線網(wǎng)絡的概念 5 2 2 認知無線網(wǎng)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(diào)整階段 6 第 3 章 認知無線網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu) 8 3 1 目前提出的具有代表性的認知無線網(wǎng)絡 CRN 體系結(jié)構(gòu) 8 3 2 網(wǎng)絡架構(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 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)絡動態(tài)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(wǎng)絡的關鍵技術 18 4 1 引言 18 4 2 認知無線網(wǎng)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(wǎng)絡的頻譜分配 20 4 3 1 基于網(wǎng)絡結(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)絡的特點和實例 22 4 4 1 短距離無線網(wǎng)絡的特點 22 4 4 2 典型的短距離通信網(wǎng)絡 22 4 5 小型認知無線網(wǎng)絡的特點和研究重點 22 4 5 1 小型認知無線網(wǎng)絡的特點 23 4 5 2 小型認知無線網(wǎng)絡設計的研究重點 23 第 5 章 小型認知無線網(wǎng)絡通信協(xié)議的設定 24 5 1 認知無線網(wǎng)絡的環(huán)境感知方法 24 5 1 1 基于單節(jié)點的頻譜檢測方法 24 5 1 2 協(xié)同感知方法 24 5 2 認知無線網(wǎng)絡的通信協(xié)議設計 25 5 2 1 協(xié)議層次架構(gòu) 25 5 2 2 控制節(jié)點的工作時序 25 5 2 3 認知節(jié)點的工作時序 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 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(xù)發(fā)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(quán)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(yè)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(yōu)越的和不可 替代的意義 認知無線網(wǎng)絡就是認知無線電的網(wǎng)絡化 其本質(zhì)在于將認知無線電的關鍵 技術環(huán)境感知 智能接入等應用于無線通信網(wǎng)絡的整體中去研究 認知無線網(wǎng) 絡能夠利用環(huán)境認知來獲取環(huán)境信息 通過對環(huán)境信息進行處理和學習做出智 能決策 并以此進行網(wǎng)絡重構(gòu) 實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應 1 1 認知無線電的產(chǎn)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(huán)境的歷史和當 前狀況進行檢測 分析 學習 推理和規(guī)劃 利用相應結(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(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 認知無線電系統(tǒng) 1 1 1 CR 技術的產(chǎn)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(shù)千年前烽火臺的 出現(xiàn) 到現(xiàn)在3G網(wǎng)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(shù)字通信技術也得到了長足的發(fā)展 這個時期正是GSM網(wǎng)絡在全球范圍內(nèi)普及 的時期 數(shù)字無線業(yè)務需求連續(xù)數(shù)年大幅度增長 且已不限于語音通話業(yè)務 3G 網(wǎng)絡 UWB等技術的出現(xiàn) 正是為應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)字通信技術日益發(fā)達的大背景下 認知無線電技術 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 不同的機構(gòu)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(huán) 境的交互改變發(fā)射機參數(shù)的無線電 Simon Haykin 則從信號處理的角度出發(fā) 認為 CR是 一個智能無線通 信系統(tǒng) 它能夠感知外界環(huán)境 并使用人工智能技術從環(huán)境中學習 通過實時 改變某些操作參 數(shù) 比如傳輸功率 載波頻率和調(diào)制技術等 使其內(nèi)部狀態(tài)適 應接收到的無線信號的統(tǒng)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(huán)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?shù)念l譜 和工作參數(shù) 這一任務通常采用圖1 1所示的認知環(huán)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(jiān)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(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 設備可以根據(jù)無線環(huán)境動態(tài)編程 從而允許 CR 設備采 用不同的無線傳輸技術收發(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 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(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(qū)分 根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)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(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關注的是無線電系統(tǒng)信號處理的實現(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 應的任務 政策 規(guī)則和目標進行推理和規(guī)劃的高層功能 一般來說認知無線電系統(tǒng)必須具備以下基本功能 一般來說認知無線電系 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和頻譜 空穴的檢測 2 信道狀態(tài)估計及其容量預測 主要有信道狀態(tài)信息的估計 信道容量的 預測 3 功率控制和動態(tài)頻譜管理 1 1 4 CR 當前的發(fā)展與標準 當前 認知無線電技術已經(jīng)得到了各界的關注 很多著名學者和機構(gòu)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(tǒng) 美國加州大學Berkeley分校研究組開發(fā) 的COVUS系統(tǒng) 美國Georgia理工學院寬帶和無線網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸 網(wǎng)絡架構(gòu)和協(xié)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(qū)域網(wǎng)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(xiàn)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(guī)格 所設想的數(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 因此基站設備可覆 蓋的范圍很大 半徑超過40km 如果此目標得以實現(xiàn) 總計300MHz 400MHz 的頻帶將可用于室外寬帶通信 1 2 認知無線網(wǎng)絡的研究背景 所謂認知無線網(wǎng)絡 就是認知無線電的網(wǎng)絡化 其本質(zhì)在于將認知無線電的 關鍵技術 環(huán)境感知 智能接入等 應用于無線通信網(wǎng)絡的整體中去研究 認知無線網(wǎng)絡能夠利用環(huán)境認知來獲取環(huán)境信息 通過對環(huán)境信息進行處理和 學習做出智能決策 并以此進行網(wǎng)絡重構(gòu)實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應 國際學術界和工業(yè)界對認知無線電技術的研究思路經(jīng)歷了一個發(fā)展變化的 過程 即 由單純的 無線電 視角向 網(wǎng)絡與系統(tǒng) 的框架轉(zhuǎn)變 在傳統(tǒng)的 無線電 視角之下 認知無線電系統(tǒng)所要求的有意識的 可調(diào)整的 自動化 和自適應的特征 需要由 全能型 的無線收發(fā)信機 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) 信機的實現(xiàn)成本 復雜度 功耗等因素使其在現(xiàn)實中很難實現(xiàn) 僅僅關注了無 線鏈路底層 而忽視了不同網(wǎng)絡節(jié)點之間的交互及協(xié)作 無法反映用戶業(yè)務與 應用對無線系統(tǒng)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(xié)議和網(wǎng)絡設計 認知無線網(wǎng)絡 CRN 已逐漸 成為認知無線電未來研究和產(chǎn)業(yè)化方向的共識 在認知無線網(wǎng)絡的框架內(nèi) 無 線網(wǎng)絡將根據(jù)其與周邊多維環(huán)境 網(wǎng)絡 協(xié)議 應用等 交互信息的情況 調(diào)整 其網(wǎng)絡特性 實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能 目前 歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)開始進 行認知無線網(wǎng)絡的網(wǎng)絡級行 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 分支學科研究階段 第 2 章 認知無線網(wǎng)絡的簡介 2 1 認知無線網(wǎng)絡的概念 隨著認知無線電的發(fā)展和深入研究 Motorola及Virginia Tech等公司提出了 無線認知網(wǎng)絡 Cognitive Radio Network CRN 的概念 他們認為無線認知網(wǎng) 絡是一種具有認知能力的網(wǎng)絡 能夠感知網(wǎng)絡當前的狀況 并根據(jù)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(tài)自適應操作和環(huán)境 的改變 自我配置的主要功能組成是 自我意識和自動學習 通過具有網(wǎng)絡意識 的中間件和網(wǎng)絡各組成部分分布式交叉來實現(xiàn) 無線認知網(wǎng)絡能最大化操作者 的能力 認知無線電作為節(jié)點構(gòu)成智能的認知無線網(wǎng)絡 是網(wǎng)絡的核心 2 2 認知無線網(wǎng)絡的特點 認知無線網(wǎng)絡是一種具有認知過程的網(wǎng)絡 它能分辨當前網(wǎng)絡狀態(tài) 然后 根據(jù)這些狀態(tài)進行規(guī)劃 決策和響應 網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡層面和端到端的部分 如 果沒有網(wǎng)絡和端到端的視角 這個系統(tǒng)也許將成為認知無線電或者只是網(wǎng)絡中 的一層 而不是一個完整的認知無線網(wǎng)絡 這里的端到端指的是網(wǎng)絡所有元素 都參與了同一個數(shù)據(jù)流的傳播 而端到端的目標使得認知無線網(wǎng)絡有一個全網(wǎng) 范圍內(nèi)的要求 這點使其與只在本地或者單元素范圍內(nèi)自適應的方法區(qū)別開來 認知無線網(wǎng)絡應該將對網(wǎng)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(wǎng)絡中可調(diào)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(wǎng)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(xiàn)之前就嘗試校正修整 此外 認知無線網(wǎng)絡的體系架構(gòu)應該具有擴展 性和靈活性 以支持未來改善的網(wǎng)絡架構(gòu)和新增的網(wǎng)絡元素 從而實現(xiàn)更高層 次的通信目標 認知集中在對無線環(huán)境域 網(wǎng)絡環(huán)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(diào)整階段提供信息輸入 學習階段主要是通過反饋環(huán)路分析行動對外界環(huán)境變化進行響應 逐步修正達 到最優(yōu)的行動策略目的 決策和調(diào)整階段是針對認知信息和經(jīng)驗學習 選擇最 優(yōu)的行動決策并通過重配置方式進行相應參數(shù)的調(diào)整 這個階段涉及無線頻譜 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 為了實現(xiàn)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(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)絡進行實時監(jiān)測和調(diào)整 2 2 1 認知階段 為了適應時變的無線信道環(huán)境 及時獲取網(wǎng)絡的狀態(tài)信息 認知無線網(wǎng)絡 需要借助認知技術 來實現(xiàn)無線資源的有效利用和網(wǎng)絡性能的整體提升 由于 未來必定是多種異構(gòu)網(wǎng)絡共存的局面 用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡的運行狀況來自主選 擇要接入的性能最佳的網(wǎng)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(xiàn)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(huán)境的變化 認知域需要由傳統(tǒng)的單一無線環(huán)境擴展為 包括無線環(huán)境 網(wǎng)絡環(huán)境和用戶環(huán)境在內(nèi)的多域認知環(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(shù)據(jù)庫技術 2 2 2 學習階段 學習階段是當外界環(huán)境參量發(fā)生變化時 系統(tǒng)感知此變化并做出相應的動 作響應 通過動作響應的結(jié)果 判斷對系統(tǒng)性能的影響 對系統(tǒng)響應結(jié)果進行 學習 并將學習結(jié)果輸入策略庫 以便下次發(fā)生相同的變化時采取經(jīng)驗條件下 最優(yōu)的行動策略 簡而言之 期望通過經(jīng)驗學習來獲得系統(tǒng)性能的提升 當用 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(jiān)督學習 非監(jiān)督學習和半監(jiān)督學 習 2 2 3 決策和調(diào)整階段 1 頻譜管理 由于認知無線網(wǎng)絡中用戶對帶寬的需求 可用信道的數(shù)量和位置都是實時 變化的 頻譜分配技術將一些不規(guī)律和不連續(xù)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(xiàn)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(xié)調(diào)授權(quán)用戶和非授權(quán)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(guī)則亟待提出 以適應用戶的需求和技術的 發(fā)展 2 聯(lián)合無線資源管理 各種異構(gòu)無線接入技術 RAT Radio Access Technology 共存將會是未來 無線網(wǎng)絡環(huán)境的一大特點 具體來說 各種無線接入技術將會出現(xiàn)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(gòu)無線 接入技術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 聯(lián)合無線資源管理 JRRM Joint Radio Resource Management 用于多個 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)合負載控制和切換等功能來實現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能和頻譜效率 3 跨層設計 所謂跨層優(yōu)化設計 是通過在網(wǎng)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(xié)議集成到一個綜合的分級框架中 對無線網(wǎng)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(tǒng)的通信系 統(tǒng)分層框架 將分散在網(wǎng)絡各個子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合 使得協(xié)議棧能夠以 全局的方式適應特定應用所需的QoS和網(wǎng)絡狀況的變化 根據(jù)系統(tǒng)的約束條件 和網(wǎng)絡特征來進行綜合優(yōu)化的方式 跨層的設計思想 實現(xiàn)了對網(wǎng)絡資源的有 效分配 達到了提高網(wǎng)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(wǎng)絡融合了多種異構(gòu)網(wǎng)絡 這極大地增加了網(wǎng)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(gòu)無線網(wǎng)絡自主管理架構(gòu) 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(gòu)建一個能夠自管理的計算系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)的復雜性 減少管理成本 它的本質(zhì)是由系 統(tǒng)主動監(jiān)視自身的運行狀態(tài) 并按照管理策略針對不同的運行狀態(tài)自動執(zhí)行相 應的調(diào)整 系統(tǒng)操作 自主計算的核心思想是實現(xiàn)自主管理 Self management 功能 主要表現(xiàn)為 自配置 Self configuring 自恢復 Self healing 自優(yōu)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(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu) 3 1 目前提出的具有代表性的認知無線網(wǎng)絡 CRN 體系結(jié)構(gòu) 認知無線電是一個智能無線通信系統(tǒng) 它能夠感知外界環(huán)境 并使用人工 智能技術從環(huán)境中學習 通過實時改變某些操作參數(shù) 使其內(nèi)部狀態(tài)適應接收 到的無線信號的統(tǒng)計性變化 基于CR技術的認知無線電網(wǎng)絡具有動態(tài) 靈活 智能地使用頻譜資源 提高頻譜利用率的特點 其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系的設計 是實現(xiàn)上述網(wǎng)絡功能的關鍵 現(xiàn)有基于認知無線電技術的網(wǎng)絡架構(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 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)絡架構(gòu) 采用認知無線電技術的認知無線電網(wǎng)絡 由于其獨特的頻譜復用性和巨大 的覆蓋范圍 呈現(xiàn)出一些不同于以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡的特點 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行有效的控 制和管理 同時滿足延遲和帶寬要求 實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度 在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度時 需要考慮以下幾個因素 與交疊的認知無線電小區(qū)的共存 業(yè)務流對應的調(diào)度 業(yè)務 業(yè)務流的服務質(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?qū)⒍?個鄰近頻道進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(shù)量變化及時調(diào)整調(diào)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(tǒng)面臨共存問題 共存問題包括兩個層次 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)認知網(wǎng)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(xiàn)實中 作為覆蓋范圍巨大的多個認知無線 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 將會嚴重影響認知無線電網(wǎng)絡工作 基于以上的特點 學術界和工業(yè)界已經(jīng)提出了一些適用于認知無線電網(wǎng)絡 的網(wǎng)絡體系架構(gòu) 其中具有代表性的有如下3個 3 2 1 CORVUS 系統(tǒng) 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(quán)頻譜的CORVUS體系結(jié)構(gòu) 在 CORVUS系統(tǒng)中 由多個次用戶 SU 組成次用戶組 SUG 同一個SUG中的節(jié) 點可以彼此間以Ad hoc方式通信 或者通過專用接入節(jié)點訪問骨干網(wǎng)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(tǒng)將SU面對的業(yè)務流形式主要劃分為 2種類型 Web式和Ad hoc網(wǎng)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(wǎng)絡式主要工作是節(jié)點彼此間進行的通信 采用分布式控制即可 3 2 2 無線區(qū)域網(wǎng) 基于IEEE 802 22標準的無線區(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) 邊遠地區(qū)和低人口密度且通 信服務質(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的通信性能 在WRAN的系統(tǒng)中 基站和用戶預定設備是主要實體 轉(zhuǎn)發(fā)器是可選的實 體 采用集中式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 在下行方向上 WRAN采用固定的點對多點星型 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 和時分多址 TDMA 即各用戶場地設備 CPE 以 傳輸需求為基礎 根據(jù)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(wǎng)絡 一個CPE可支持多個傳輸數(shù)據(jù) 語音和視頻的 用戶網(wǎng)絡的接入 通過BS可接入到多個核心網(wǎng)絡 在CPE與BS之間 系統(tǒng)可通 過轉(zhuǎn)發(fā)器進行轉(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 支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡按Ad hoc方式或者混合網(wǎng)絡方式布置 如果網(wǎng)絡中節(jié)點具有一個或多個無線電接口 如網(wǎng)卡 可同時接入一個或 多個無線信道 節(jié)點具有感知無線環(huán)境的功能 可以判斷信道的使用情況 選 擇相應的信道接入 正是因為節(jié)點的這一特點 使得這類網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計和布置 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡有很大不同 3 3 協(xié)議體系 如何保證所設計的協(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 所設計的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)時能夠保證與協(xié)議標準的一致性 以及如何實現(xiàn) 與其他協(xié)議標準之間的數(shù)據(jù)交換 這都是認知無線電協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設計中必須 考慮的問題 由于認知無線電技術具有動態(tài) 靈活 智能的特點 因而對網(wǎng)絡 協(xié)議的要求也比較高 要求協(xié)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(huán)境變動而帶來的可用頻譜資源的動態(tài)變化 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的改 變 因此在設計認知無線電網(wǎng)絡協(xié)議時 將遵循以下原則 協(xié)議設計應充分反 映認知無線電技術的特征 常用通信協(xié)議體系結(jié)協(xié)議設計應充分反映認知無線 電技術的特征構(gòu)都采用分層結(jié)構(gòu) 在對認知無線電網(wǎng)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(wǎng)絡層 在具體設計過程中 將借鑒已 有物理層 MAC層與網(wǎng)絡層的協(xié)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(xié)議架構(gòu)設計應結(jié)合算法與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計的成果進行系統(tǒng)性地考慮 由于 認知無線電網(wǎng)絡協(xié)議的設計與采用的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)密切相關 而算法又與所采用的 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)密切相關 三者之間 相輔相成 互相影響 因此在網(wǎng)絡協(xié)議設計過 程中 應建立一個初步的框架 然后結(jié)合算法設計以及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計的成果不 斷 修訂 最終完成網(wǎng)絡協(xié)議的設計 協(xié)議架構(gòu)設計應盡可能考慮相容性 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(tǒng)共存 因此在認知無線電協(xié)議架構(gòu)設計時 應充分考慮與其 它系統(tǒng)之間的共存問題 現(xiàn)有認知無線電系統(tǒng)的一些協(xié)議體系都是以分層協(xié)議 棧為基礎進行研究的 這種分層和模塊化的設計在將新技術融入現(xiàn)有網(wǎng)絡技術 時具有一定優(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(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專用邏輯信道通用控制信道 UCC 和組 控制信道 GCC 來實現(xiàn)傳送 UCC是系統(tǒng)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(nèi)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(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(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)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(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(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 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(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SU并發(fā)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(fā)使用同一子信道 3 3 2 XG 項目的協(xié)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(tài)使用 頻譜問題 XG系統(tǒng)設定普通協(xié)議分層模型不需重 新修改傳統(tǒng)MAC協(xié)議 只需 適當升級即可 例如傳統(tǒng)收發(fā)機應用程序接口 API 可加入XG原語集成為XG改 進收發(fā)機API 如圖3 2所示 XG范圍只包括在物理層和MAC層 網(wǎng)絡層及其 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(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 特性的并對其進行相應處理 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(tài)的 隨時間變化 可用的傳輸機會為XG全部節(jié)點的一個子集服務 特別是在目標節(jié)點附近一定范圍內(nèi)的節(jié)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(fā)射參數(shù) 向目標地區(qū)分發(fā)信息等內(nèi)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(jié)點 它使用機會信息和約束條件創(chuàng)建一個動態(tài)分配表 分配表實際上是個 分布式的數(shù)據(jù)庫 包含對各個XG節(jié) 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(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(fā)機參數(shù)上下限值 此功能模塊的作用就是確保一個 數(shù)據(jù) 包在滿足約束條件下盡可能快地傳送 存在很多可能的機會使用機制 模塊并 不限定使用某種特定實現(xiàn)機制 在分配和識別模塊間構(gòu)造了一個機會API 它是 個XG內(nèi)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(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)絡層 網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層 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 XG 增強 收發(fā) 機 API 收發(fā) 機 API 收 發(fā) 機 API 3 3 3 WRAN 的協(xié)議體系 WRAN的IEEE 802 22 標準包括物理層和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 術以及分布式檢測等方法 來可靠地感知某時刻 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(jié)點等問題的出現(xiàn) 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(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)點進行分布式地聯(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 主要參照應用于固定寬帶無線接入的IEEE 802 16 標準 并根據(jù)WRAN的特點與要求做了相應的修改與擴展 并將該MAC協(xié)議成為認 知MAC協(xié)議 在對認知無線電系統(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 信標協(xié)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(xiàn)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(xié)議支持單播 多播和廣播服務 并采用聯(lián)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(diào)度機制來完成 而這4種調(diào)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(xié)議棧結(jié)構(gòu) 取 投票選舉和競爭3個過程來實現(xiàn) IEEE 802 22 協(xié)議中提出的參考結(jié)構(gòu)模型如圖3 3 即由一個頻譜管理模塊 和多個MAC 物理層模塊構(gòu)成 而CPE僅由一個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 并同時保持了MAC協(xié)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(jù)一定 標準 如每個模塊連接的終端數(shù) 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(zhì)量發(fā) 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(wǎng)絡動態(tài)接入 為達到在不干擾授權(quán)用戶的條件下有效地實現(xiàn)機會式頻譜利用 認知無線 電網(wǎng)絡的媒體接入控制 MAC 層不僅需要提供傳統(tǒng)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(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)頻譜分配針對二進制干擾模型和累積干擾模型 進行不確定 頻譜資源的優(yōu)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(jié)合物理層和網(wǎng)絡層 傳輸層等上層信息設計 和實現(xiàn)全局優(yōu)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(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 出強信號 降低信號的動態(tài)范圍 或采用智能天線技術 通過空域濾波來實現(xiàn) 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(xiàn)有的頻譜感知技術可分類為 單節(jié)點感知是指單個CR節(jié)點根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進行頻單節(jié)點感知譜特性 標識 單節(jié)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(yōu)缺點 實際應用時通常結(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 基于多個節(jié)點的感知結(jié)果將進行綜合判決 協(xié)同頻譜感知的另一個優(yōu)點是可以有效的消除陰影效應的影響 協(xié)同感知可以 采用集中或者分布式的方式進行 集中式協(xié)同感知是指各個感知節(jié)點將本地感 知結(jié)果送到基站 BS 或接入點 AP 統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)融合 做出決策 分布式協(xié)同 感知則是指個節(jié)點間 相互交換感知信息 各個節(jié)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(jié)點知道授權(quán)用戶的位置 目前尚面臨很多問題 3 數(shù)據(jù)傳輸技術 數(shù)據(jù)傳輸技術對于CR實現(xiàn)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(xù) 因此CR數(shù)據(jù)傳輸技術必需能夠適應可用頻譜的這一特性 目前 實現(xiàn)頻 譜自適應CR數(shù)據(jù)傳輸有2個基本途徑 采用多載波技術或采用基帶信號發(fā)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(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現(xiàn) 例如 在進行OFDM調(diào)制時 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 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(tǒng)實現(xiàn)的 復雜度 OFDM技術的重要優(yōu)點是實現(xiàn)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(xiàn)CR用戶利用頻譜空穴的同時避免對授權(quán)用戶造成有害干擾 要求 CR網(wǎng)絡的媒體接入控制 MAC 層不僅提供傳統(tǒng)的服務 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 地實現(xiàn)機會頻譜利用 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(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) 頻譜分配針對二進制干擾模型和累積干擾模動態(tài)頻譜分配型進行不確定頻譜資 源的優(yōu)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(jié)合物理層和網(wǎng)絡層 傳輸層等上層信跨層設計息設計 和實現(xiàn)全局優(yōu)化的MAC層技術 第 4 章 小型認知無線網(wǎng)絡的關鍵技術 4 1 引言 同其他類型的通信網(wǎng)絡相比 認知無線網(wǎng)絡的本質(zhì)在于利用頻譜空穴進行 機會接入 通俗來講 就是在授權(quán)用戶空閑時 借用 授權(quán)用戶的使用頻率 從這個角度考慮 組建一個認知無線網(wǎng)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(fā)現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)絡顯然應當具備一般認知無線網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)介紹認知無線網(wǎng)絡 短距離無線網(wǎng)絡的特點和關鍵技術 并列 出幾種典型的短距離無線網(wǎng)絡的架構(gòu)和優(yōu)缺點 由此引出接下來的研究重點 即認知無線網(wǎng)絡和短距離通信網(wǎng)絡的結(jié)合 4 2 認知無線網(wǎng)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(quán)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(jié)點而言的 頻譜感知 也就是單個節(jié)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(quán)用戶的檢測 及時感知授權(quán)用戶的狀態(tài) 盡量避免對 授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾 出于認知無線網(wǎng)絡特殊的應用環(huán)境 頻譜感知也有其自身 的特點 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)絡環(huán)