（信息与通信工程专业论文）认知无线链路建立过程的研究与设计.pdf

浙江大学硕士论文摘要 摘要 近年来，无线通信领域面临着频谱资源缺乏与频谱利用效率不高的矛盾，认知无线 电技术为解决这一矛盾提供了新的思路，它通过具备人工智能学习能力和可重构能力的 无线电设备，对周围环境进行感知、分析和学习，并实时调整传输参数，从而适应无线 信道的统计变化。 本文基于无速率码的自适应干扰避免的特性，研究基于无速率码分组传输的认知无 线链路的建立过程，对建链中的分组接入控制关键技术进行了重点讨论，提出了可有效 实施于分布式认知o f d m 系统的链路建立流程。 本文首先总结了国内外认知无线电的发展现状，针对当前认知无线电研究中协议设 计与工程应用不多的情况，选取了认知无线链路建立过程作为研究方向。 然后，本文对无速率码分组传输在认知链路建立中应用的可行性进行了分析，对其 应用中的实施细节进行了比较深入的思考。基于分组接入有效性和实时性的目标，提出 了基于无速率码分组传输的简化握手机制。并对相关物理层技术进行了探索，提出了基 于n c o f d m 调制的数据传输方式和基于t d c s 的控制信道实现方式，为认知链路建立 协议的实施提供了保障。 接着，本文对无速率码分组传输中的接入控制关键技术进行了重点讨论，提出了一 种基于强化学习的机会式频谱接入方案以及一种自适应的接入时长控制方法。为降低对 控制信道的依赖性，以及适应实际快变信道环境的应用需求，基于从用户自主学习并独 立决策的基本思想，提出了基于马氏决策和基于统计平均的两类共三种机会频谱接入方 案。根据理论分析以及仿真结果，对上述方案进行了比较，两类方案在性能、稳定性、 适用场景上各自有其优缺点，实际建链中可根据需求进行选择。分组接入时长控制中针 对目前接入时长研究中简化了网络场景的问题，提出了适用于实际多主用户多从用户情 形的在线自适应接入时长控制方法。 最后，本文结合所述各种技术，对认知o f d m 中的建链协议进行了设计。并搭建了 基于v c 和m a t l a b 的联合仿真平台，对链路建立过程进行了仿真，得到了建链时长， 公平指数及从用户接入成功概率等指标，以用于指导实际链路建立过程的设计。 关键词：认知无线电链路建立分布式无速率码多接入控制 i i 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ei sac o n f l i c tb e t w e e nt h el a c ko fs p e c t r u mr e s o u r c e sa n ds p e c t r u m u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w i t ha r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et h r o u g hl e a r n i n g a n dt h ea b i l i t yo fr e c o n f i g u r a t i o n ，c o g n i t i v er a d i oi sap o t e n t i a ls o l u t i o nf o rt h i sp r o b l e m i t s e n s e st h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，l e a r n s ，a n da d j u s t st h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r ss oa l st o a d a p tt ot h ec h a n g e si nw i r e l e s sc h a n n e l s b a s e do nt h ea d a p t i v ei n t e r f e r e n c ea v o i d a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fr a t e l e s sc o d e ，i nt h i s a r t i c l e ，w ea p p l i e sr a t e l e s sp a c k e tt r a n s m i s s i o ns c h e m ei nt h ec o g n i t i v el i n ks e t u pp r o c e d u r e a n dw ee m p h a s i z eo nt h em u l t i p l ea c c e s sc o n t r o lo fp a c k e ta n d p r o p o s ea ne f f e c t i v el i n ks e t u p p r o c e d u r ew h i c hc a nb ei m p l e m e n t e di nc o g n i t i v eo f d ms y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fc o g n i t i v er a d i o b e c a u s et h e p r o t o c o ld e s i g na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni ss t i l ll i t t l ea tp r e s e n t ，w es e l e c tt h ew i r e l e s sl i n k s e t u pp r o c e d u r eo fc o g n i t i v er a d i o a l st h er e s e a r c hd i r e c t i o n n e x t ，w ea n a l y z et h ea p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yo fr a t e l e s sp a c k e tt r a n s m i s s i o ni nc o g n i t i v e l i n ks e t u p 觞w e l l 嬲t h ei m p l e m e n t a t i o nd e t a i l s t om a k et h ep a c k e ta c c e s se f f e c t i v ea n d r e a l t i m e ，w ep r o p o s eas i m p l i f i e dh a n d s h a k em e c h a n i s mo fr a t e l e s sp a c k e tt r a n s m i s s i o n a n d a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nd e m a n d ，w ee x p l o r er e l e v a n ts u p p o r t i n gp h y s i c a ll a y e r t e c h n i q u e sa n dp u tf o r w a r dt h en c - o f d mm o d u l a t i o nf o rd a t at r a n s m i s s i o na sw e l l 嬲t h e t d c sf o rc o n t r o lc h a n n e l t h e s et e c h n i q u e sp r o v i d eag u a r a n t e ef o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f c o g n i t i v el i n ks e t u p i na d d i t i o n , w ef o c u so nt h ek e yt e c h n i q u eo fm u l t i p l ea c c e s sc o n t r o li nt h er a t e l e s sp a c k e t t r a n s m i s s i o na n dp r o p o s eas o l u t i o nw h i c hi sb a s e do nr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n ga n da na d a p t i v e t r a n s m i s s i o nc o n t r o lm e t h o d t or e d u c et h ed e p e n d e n c eo nt h ec o m m o nc o n t r o lc h a n n e la n d a d a p tt of a s t - v a r y i n gc h a n n e l ，w ep r o p o s et w ok i n d so fo p p o r t u n i s t i cs p e c t r u ma c c e s s m e c h a n i s m ，t h em a r k o vd e c i s i o na n ds t a t i s t i c a la v e r a g i n g ，b a s e do nt h ec o r ei d e ao f a u t o n o m o u s l e a r n i n ga n dd e c i s i o n m a k i n g a c c o r d i n g t ot h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec o m p a r et h e s em e t h o d s t h e yb o t hh a v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i nt e r m so fp e r f o r m a n c e ，s t a b i l i t ya n da p p l i c a t i o ns c e n e i np r a c t i c a ll i n ks e t u pp r o c e d u r e s ，w e i i i 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t c a ns e l e c to n ea c c o r d i n gt ot h en e e do ru s eaf l e x i b l em i xm e c h a n i s mo fo p p o r t u n i s t i ca c c e s s o nt h et r a n s m i s s i o nd u r a t i o nc o n t r o l ，i nc o n t r a s tt oc u r r e n ts t u d yw h i c hs i m p l i f i e st h es c e n a r i o ， w ep r o p o s ea no n l i n ea d a p t i v et r a n s m i s s i o nd u r a t i o nc o n t r o lm e t h o dw h i c hc a nb ea p p l i e di n t h em u l t i p ua n dm u l t i s us c e n a r i o f i n a l l y , w ea p p l yt h ea b o v et e c h n i q u e st od e s i g nt h ec o g n i t i v eo f d ml i n ks e t u pp r o t o c 0 1 w eb u i l das i m u l a t i o np l a t f o r mw h i c hc o n t a i n st h ev ca n dm a t l a bt o o la n da c q u i r et h e i n d i c a t o r so fl i n ks e t u pd e l a y , e q u i t yi n d i c e sa n ds u c c e s s f u lr a t i oo fa c c e s sf o rs e c o n d a r yu s e r ， w h i c hc a nb eu s e dt og u i d ep r a c t i c a ld e s i g no fl i n ks e t u pp r o c e d u r e s k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，l i n ks e t u p ，d i s t r i b u t i v e ，r a t e l e s sc o d e ，m u l t i p l ea c c e s s c o n t r o l i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：秘、淑保 签字日期：q ) 9 f 。年? 月归日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印，缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：陈漱保 签字日期：0 口f o 年弓月io 日 n 爪 导师签名：耽蝴砂 签字日期：弘f 阵月厂d 日 浙江大学硕士论文致谢 致谢 首先我要衷心的感谢我的导师张朝阳教授，从本科大四进入实验室到硕士研究生阶 段的这三年里，张老师给予了我悉心的指导和无私的帮助，他定期了解并督促我的研究 工作进度，为我指点迷津，帮助我开拓思路，让我受益匪浅。张老师对待学术研究的执 着和严谨的治学态度是我学习的榜样。我会谨记张老师的教诲，在今后的工作和学习中， 投入最大的热情和努力。 还要特别感谢余官定老师，在本科毕业设计以及硕士期间的研究工作中，余老师给 予了我诸多指导，在此谨向余老师致以我诚挚的谢意。 感谢和我同一项目组的姜松硕士、林泽硕士、李雪娇硕士、王培雅硕士、陈琴琴硕 士，在我遇到困难的时候，他们给了我莫大的帮助和支持，衷心感谢他们。 感谢给予我许多帮助的吴可镝博士、张建敏博士、陈少磊博士，他们为我提出了不 少有益的建议；以及和我一起工作过的已经毕业的师兄师姐，他们包括程鹏博士、黄慧 博士、李玉萍硕士、杜维硕士、霍媛圆硕士、陈勋硕士、谢雪松硕士、王海洋硕士、林 挺萃硕士等。 感谢目前和我在实验室一起工作的各位同学，他们有罗海燕博士、殷瑞博士、陈晓 明博士、彭瑶博士、张昱博士、王超博士、刘经泽硕士、张华滋硕士、唐颖硕士、富饶 硕士、王秋芳博士、叶露硕士、王联响硕士、楼文涛硕士、官本康硕士、闻春燕硕士等。 还要感谢我的室友蔡立凤硕士、颜瑞硕士和陈肖硕士，两年多来我们和谐相处，一 起度过了美好的研究生时光。 最后，我要深深地感谢我的家人、好友，他们在我最困难的时候给予了我最大的支 持，我会更加努力，回报他们的关爱。 陈淑保 2 0 1 0 年1 月 浙江大学硕士论文绪论 1 绪论 1 1 认知无线电及其关键技术概述 随着无线通信业务的飞速发展，频谱资源匮乏的问题日趋严重。一方面，按照现行 的固定授权机制的频谱资源管理方法，频谱基本已划分殆尽，而另一方面，已分配的频 谱上却存在着不同程度的闲置。为了解决频谱资源缺乏与频谱利用效率不高这一矛盾， 1 9 9 9 年8 月，j o s e p hm i t o l ai i i 博士首先提出了认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 这一概 念【1 捌，其核心思想在于使得无线电终端设备具备自动检测周围环境的能力，并能够通过 智能地调整系统参数适应环境变化，实现对频谱更为有效的利用。认知无线电被认为是 实现频谱资源高效利用与兼容共存的一个有效方案，引发了学术界与工业界的广泛关注， 成为当前无线通信的一大研究热点。 认知无线电技术是在软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 基础上发展起来 的智能无线通信技术，它区别于传统无线电的最显著的特征在于它的人工智能学习能力 和可重构能力1 3 , 4 1 ，它能够感知周围环境，通过对环境的分析和学习，实时调整传输参数 ( 比如发送功率、载波频率和调制方式等) ，从而适应无线信道的统计变化，实现任何时 间任何地点的高度可靠通信以及对有限无线频谱资源的高效利用。这样一个“感知一决策 一行为”的动态自适应过程被称为“认知周期”或“认知循环” p l a n 图1 1 认知周期 l 浙江大学硕士论文绪论 相对于传统无线电技术，认知无线电从预先定义协议的盲目执行者转变成为可自主 决策的智能代理，可实现多波段多模式的通信。认知无线电具有很强的适应外部环境的 能力，代表着无线通信的演进方向。 近年来，认知无线电技术受到业内人士的普遍关注，学术界理论研究成果丰硕，工 程应用领域的研究和开发也在积极展开：2 0 0 4 年1 0 月i e e e8 0 2 2 2 工作组【5 】正式成立， 研究以认知无线电为核心技术的无线区域网络( w r a n ) ；美国加州伯克利大学、美国 国防部高级研究计划署等相关研究机构建设了基于软件无线电的认知无线电实验系统 6 , 7 1 。目前，对于认知无线电的研究主要集中于以下几种关键技术： ( 1 ) 频谱感知技术8 ，9 1 ：感知的任务是通过对所处无线环境的观察，对频谱特性提取 分析归纳，从而检测出空域、时域和频域内可以被利用的频谱资源。迅速准确的频谱感 知是认知无线电应用的基础和前提，其精度和可靠性影响着其它关键技术的实施。频谱 感知方法按照信号处理技术分类主要有匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特征检测 三种；按照实施方式则可分为单用户检测以及合作检测。单用户检测受多径和阴影衰落 影响较大，同时受本身检测能力的限制。合作检测能够降低多径和阴影衰落的影响，但 开销较大。 ( 2 ) 动态频谱接入技术 1 0 - 1 4 】：动态频谱接入技术在对授权用户干扰受限的条件下，实 现非授权用户对于频谱无冲突的共享。通过在时间、频率和空间上进行多维的频谱复用， 满足用户服务质量( q o s ) 的要求。动态频谱接入具体包括频谱分析和频谱决策，频谱分析 提取包括信道容量、丢包率、时延等信息在内的频谱特征，频谱决策综合考虑频谱特征 和自身需求进行接入。 ( 3 ) 功率控制技术【1 5 1 ：由于非授权用户的传输要在保证不影响已授权用户的正常通信 前提下，为此非授权用户需要采用功率控制技术，以避免对授权用户造成干扰。在u n d e r l a y 的场景下，从用户可以在任何时间传输，这就需要通过功率控制的方式将信号的功率谱 密度( p s d ) 控制在一定范围内，最好能在噪声级别，使得对主用户的干扰在一个低的 水平上，同时最大化自身容量。 ( 4 ) 自适应传输技术1 6 。1 8 1 ：由于认知无线电可能的工作频带在一个很宽的范围之内， 同时存在不连续性，因而对于传输技术的灵活性要求较高。一般认为比较适合认知无线 电的传输方案主要有超宽带( o w b ) 【1 8 1 和非连续正交频分复用( n c o f d m ) e 1 6 , 1 7 两种。 u w b 以较低的辐射谱密度来实现与其它用户的共存，其发射信号的波形设计是一个难 浙江大学硕士论文绪论 点。n c o f d m 则通过将整个频带划分为子载波，利用其中未被占用的子载波进行传输 来实现共存。目前，n c o f d m 以其易剪裁易组合的特性，被视为比较有前途的候选方 案。 1 2 研究对象 目前对于认知无线电的研究还处于起步阶段，关键技术研究尚不成熟，对于认知无 线电系统的协议设计和工程应用研究更是不多。i e e e8 0 2 2 2 草案是世界范围内的第一个 认知无线电系统协议，但采用的是点到多点的集中式工作模式，结构简单但不够灵活， 适合于在认知无线电的初期采用。具体实现方面，基于软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e d r a d i o ，s d r ) 平台来实现认知无线电是目前的主流做法。软件无线电可以在不修改硬件 资源的前提下，通过软件重构来实现灵活多变的通信功能，自适应地重构包括工作频率、 调制方式、传输速率、编码方案、传输功率在内的多种参数，可实现一个认知无线电设 备需要的学习能力和可重配置能力，满足实时适应无线环境的需求，是目前比较理想的 c r 解决方案目前正在建设的基于软件无线电的认知无线电实验系统如伯克利大学建立 的基于f p g a 的b e r k e l e ye m u l a t i o ne n g i n e2 ( b e e 2 ) 仿真平台【6 1 ；m i t r e 公司设计的基于 a s i c 、d s p 和f p g a 的a d a p t i v es p e c t r u mr a d i o ( a s r ) t e s t b e d 【1 9 】等。 我们的认知无线电平台也采用软件无线电的体系架构，硬件部分由多波段r f 天线、 超高速宽带a d d a 变换器、嵌入式处理器、大容量f p g a 、数字信号处理器d s p 组成。 我们旨在构建一个具有自主学习能力的智能无线通信系统平台，它能够感知周围环境， 通过对以往经验的学习进行推理，以优化系统性能为目标，自适应地调整内部配置，以 适应环境和需求的变化。 一个完整的通信系统需要完成复杂的协议过程，链路建立是协议的第一步。在初始 链路建立阶段，发起传输的认知用户需要搜索获取目标节点信息，通过与目标节点协商 基本信息，调整参数和配置，最终建立与目标节点的通信连接，从而保障后续的数据传 输。设计并优化分布式系统中认知无线链路的建立过程，是本毕业设计的研究目标。认 知与传统通信链路建立的一个重要区别，同时也是认知链路建立协议设计的一个难点在 于，系统中同时存在主用户和认知用户两类用户，除了认知用户之间的协调，还必须保 证主用户的正常通信，可用载波集的随机特点造成了协议设计的复杂性。 浙江大学硕士论文绪论 认知无线链路的建立是一个系统层面的研究，基本上涉及了目前认知关键技术理论 研究的各个方面，需要同时考虑m a c 层面的策略控制与p h y 层面的实际物理传输。目 前还没有看到关于分布式认知链路建立的比较完整的方案，针对分布式网络的研究基本 上只是针对某一关键技术，如感知，接入策略或物理层技术等，进行理论层面的研究， 没有提出相应的协议，或提出了协议但又对系统模型做了理想化的假设，离实际应用还 很远。本研究工作的出发点就是基于实际硬件平台资源受限的情况，对实用链路建立方 案进行研究，着重关注建链协议的设计以及其中关键技术的研究。 我们研究一个点对点( p e e r - t o p e e r ) 的分布式认知网络中的链路建立过程，讨论当 网络中某个从用户发射机有数据传输要求时，如何通过与对端接收机协商操作参数，建 立传输链路的过程。图1 2 是所讨论的分布式认知系统的一个网络拓扑结构示意图。 o 图1 2 分布式认知系统的网络拓扑结构示意图 如图所示，网络以p e e r - t o p e e r ( p 2 p ) 的方式进行组织，每个从用户对( s e c o n d a r yu s e r p e e r ) 由两个从用户节点构成，一对节点间可建立一条直接通信链路。为便于讨论，我 们讨论单向传输，将发起传输的节点称为发射机节点，对端节点称为接收机节点，实际 中p e e r 两端用户地位相同，既可以是发射机也可以是接收机。 图1 2 所示的分布式拓扑结构的优点在于：各从用户不依赖于少数中心控制节点， 具有较强的自主性，网络整体运行受局部影响小，具有比集中式网络更高的适应性、抗 毁性和健壮性。 图1 2 中仅显示了从用户( s e c o n d a r yu s e r ) ，实际上网络中还同时存在着主用户 ( p r i m a r yu s e r ) 。主用户以授权方式占用频段，从用户以机会式频谱接入( o p p o r t u n i s t i c 4 浙江大学硕士论文绪论 s p e c t r u ma c c e s s ( o s a ) ) 的方式与主用户共享频谱。一般而言，主从用户频谱共享方式 可分为三类2 3 1 ：排他使用模型( e x c l u s i v eu s em o d e l ) ，开放共享模型( o p e ns h a r i n g m o d e l ) 和分层接入模型( h i e r a r c h i c a la c c e s sm o d e l ) 。其中分层接入模型又可分为衬垫式 ( u n d e r l a y ) 和填充式( o v e r l a y ) 两种。其中u n d e r l a y 的方式对于从用户的功率有严格的限 制，从用户的功率不可超过主用户的噪声基底。o v e r l a y 的方式则主要是通过检测频谱空 穴，利用频谱空穴进行通信。这种方式对于从用户的传输功率没有严格限制，但相应的 对于传输在时域和空域上所处的位置要求很高。上面所说的机会式频谱接入 ( o p p o r t u n i s t i cs p e c t r u ma c c e s s ( o s a ) ) 就是一种基于分层接入模型的o v e r l a y 方式。在这 种o v e r l a y 的方式中，主从用户的关系主要体现在：当主用户未占用频谱时，从用户可 机会接入；当主用户再次出现时，从用户要及时退出；从用户对于主用户而言是透明的， 即主用户接入时不考虑从用户是否存在。 1 3 认知无线电建链中的关键技术难点及研究现状 1 3 1 链路传输差错控制机制 在初始链路建立阶段，由于收发两端频谱可用性互不确知，且主用户对于信道突发 占用，导致分组接入的可靠性不高，设计中应当采用有效的差错控制机制，以有效控制 由于信道噪声和用户间干扰导致的传输错误。传统的差错控制主要是采用a r q 重传结 合前向纠错f e c 的方式实现。a r q 技术利用检错码对出错信息请求重传，以损失吞吐 率为代价来换取传输的可靠性；f e c 技术则采用纠错码纠正部分错误，为了获得较低的 误码率，往往需要以最坏的信道条件来设计纠错码，导致信息大量冗余，编码效率不高。 目前对a r q 的研究主要集中在重传协议，重传编码策略和码和并技术【2 0 】这三个方 面。a r q 有三种基本重传机制：停等式a r q ，回退n 步a r q ，以及选择性重传a r q 。 三种a r q 协议复杂性递增，效率也递增。除了这三种传统的a r q 重传机制外， 还有h a r q ( h y b r i d a r q ) ，接收机收到发生错误的数据分组并不丢弃，而是指示 发射机重传部分或全部出错的分组，并将该次收到的分组信息和以前收到的分组信 息合并，从而正确解码。 a r q 的优点在于能够保证任意除删概率下的可靠传输，然而事实上这种策略是一种 浪费，在广播删除信道中尤其明显，如果一个编码分组被多个接收机丢失，那么多个接 浙江大学硕士论文绪论 收机都将发送重传请求，大量的重传请求导致发射机不断重传同一个分组，造成极大的 浪费。无速率码【2 2 1 ( r a t e l e s sc o d e ) 则可以避免产生上述问题，无论除删概率的大小， 采用无速率码都能够保证分组的可靠传输，并逼近信道容量。 作为一种信道编码方式，无速率码与传统编码有很大差异。传统信道编码由k 个输 入符号得到n 个输出符号，码率固定为r = k n ，其中码率根据信道状态来设计，这样就 对信道估计的准确性要求较高。当信道估计差于实际信道状况时，会造成传输浪费；当 信道估计好于实际信道状况时，又无法实现可靠传输。而无速率码由输入数据产生源源 不断的编码分组，只要接收机收到足够数目的编码分组就能还原数据，这样实际传输的 码率取决于当时的信道状况，从而实现了在不确定信道准确状态的情况下，选择了合适 的码率进行传输。可见不同于固定码率的传统编码，无速率码可实现非固定码率的链路 适配【2 1 1 。 无速率码与a r q 的比较：1 a r q 中由于需要对出错的分组进行重传，容易出现收 发两端分组顺序不一致的情况，需要重组缓存分组，实现机制复杂。无速率码则可以弥 补这一缺陷，无论哪些分组在传输中发生丢失，接收机最终只需要收到一定数量的分组 就可以成功译码，它顺序接收分组，当达到一定数量时开始尝试译码，如果译码失败， 接收机可以再多接收一些编码分组然后继续尝试译码，直到成功。2 a r q 需要大量的反 馈以有效实施，需要独立的反馈控制信道，且一般以控制信道理想为前提，若反馈不准 确，如某个数据分组丢失，而发射机无法获知，则将导致包括该分组在内的一系列分组 整体无法正确解码在认知无线电中，公共控制信道的存在性以及信道质量都难以得到 保证，在这种情况下采用a r q 机制无法保证传输的可靠性。而无速率码分组传输中只 关心收到多少编码，而不在乎收到哪些编码，传输中发生错误或某些数据分组丢失只影 响系统效率，对最终正确解码并没有决定性的影响。可见无速率码不依赖于a c k ，因而 对于a c k 传输的可靠性要求不像a r q 中那样苛刻，相应的对于公共控制信道的依赖性 低。无速率码的这些特性非常有利于使用在认知无线电系统中，我们考虑采用无速率码 用于链路建立过程中的分组传输。 l - 3 2 机会式频谱接入技术 机会式频谱接入机制是认知无线电建链中的另外一个关键问题。机会式频谱接入 ( o p p o r t u n i s t i cs p e c t r u ma c c e s s ( o s a ) ) 是动态频谱接入( d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ( d s a ) ) 的一种实现形式，从用户采用机会式的接入方式，工作在已授权的频段内，在 浙江大学硕士论文绪论 一定使用权限范围内动态地选择工作频谱，以充分利用时域、频域和空域出现的可被利 用的频谱资源，从而最大化频谱利用效率，提高系统吞吐量。 目前对于机会式频谱接入技术的研究不少，主要技术手段可分为：基于图论模型的 分析方法，基于博弈论模型的分析方法，以及基于人工智能模型的分析方法。 基于图论模型的方法将从用户组成的网络拓4 1 、结构抽象成图。在某个特定时刻，对 应特定网络拓4 1 、结构，讨论频谱分配的问题。基于这类模型的具体算法得到了广泛的研 究【2 5 1 ，为认知无线电的频谱共享提供了一种解决问题的框架。但从本质上来讲，这类模 型讨论的是在某一时间点，从用户感知完成后，对应不同的网络拓4 1 、结构，也就是从用 户可用信道集不同时，空闲频谱资源在从用户间的分配。这类方法将问题简化为一个一 维的空域( s p a t i a ld o m a i n ) 上的分配问题，规避了主用户活动等因素造成的信道随时间变 化的问题，因而采用这类模型事实上只能解决接入什么信道的问题，对于接入时刻和接 入时长的问题无能为力。同时，基于图论模型的频谱分配算法完成时间随网络拓扑复杂 度增长，不能够适应认知无线电中空闲频谱快速时变的要求。 与基于图论模型的研究方法不同，博弈论( g a m et h e o r y ) 主要研究不同智能系统决策 之间的冲突与合作，适合于分析认知无线电系统中从用户间通过竞争合作共享频谱的分 布式行为，目前对于分布式系统的机会频谱接入技术的研究有不少采用了这一模型【2 6 1 。 博弈可分为合作博弈与非合作博弈，二者的主要区别在于参与者是否遵循某一有约 束力的协议其中，基于合作博弈的分布式机会频谱接入方法，一般是通过从用户将自 身选择的接入策略封装为控制消息送到广播信道上，来实现与其它从用户的协商，经过 多轮博弈后，从用户间达成协议，确定一种频谱使用策略，而后从用户遵循这一协商策 略进行传输。非合作博弈则一般只需要借助本地信息，有利于构建分布式动态频谱分配 系统，但性能相对于合作博弈较差。 博弈论模型对于分析分布式机会频谱接入是比较有效的，但其仍然存在一些局限性， 主要有以下几点： 1 基于合作博弈的分布式机会频谱接入方法需要用户频繁交换信息，这将增加系统 的复杂性和额外开销。 2 博弈论算法的一个关键点在于判断算法是否存在收敛点，即纳什均衡。而目前博 弈分析的方法还比较有限，对于两用户以上的博弈以及相对复杂的动态博弈，难以进行 数值上的理论分析，这限制了其在多用户场景下的应用。 浙江大学硕士论文绪论 3 往往限于讨论纯策略或混合策略，难以对机会频谱接入中一次接入不定数目子载 波的场景进行建模。 博弈主要讨论处于均衡状态的个体行为，缺乏对于参与者推理过程和能力的描述， 遗漏了如何学习的理论。而对于机会频谱接入中从用户选择行为的研究，应当包括从用 户如何学习、更新和模型化自身环境的过程，人工智能算法就是这样一种适于研究从用 户学习过程的算法。 事实上，人工智能算法( i n t e l l i g e n t a l g o r i t h m s ) 的基本精神与m i t o l a 提出的认知无 线电的学习能力具有高度的一致性【1 l 】，这类算法主要是通过对所处网络环境状态进行检 测，构建对于网络的认识，并运用这些知识进行频谱接入的决策。从本质上说，感知就 属于一种人工智能算法，它通过观察主用户的活动情况构建关于主用户活动的知识，为 频谱接入提供依据。其中机器学习算法中的强化学习【2 7 堤本文的研究重点。强化学习可 分为训练( t r a i n i n g ) 和决策( m a k i n gd e c i s i o n s ) 两步。训练阶段，用户采样数据并通 过有效算法提取其中的信息，决策阶段用户基于已经获得的知识、当前所处的状态以及 当前输入进行决策。这种方式中每个用户不需要了解其他用户的决策，用户通过不断地 迭代学习来优化自己的行为从而获得最多的回报。强化学习是一种应用广泛的人工智能 算法，能处理动态环境中的不确定信息，使用户选择最优策略，能在用户与环境的相互 作用中在线使用。强化学习的这些优良特性可以用于研究不确定、不完全信息问题。目 前强化学习技术在认知无线电系统中的应用也取得了一定的进展，其中文献 2 8 基于强 化学习的思想提出了一种适用于多播下行环境的分布式感知方法，文献 2 9 提出了一种 基于强化学习的分布式频谱共享机制，提出强化学习是有效提高系统性能的一种有效手 段，本文对于机会频谱接入算法的研究采用了强化学习的概念和思想，其中涉及的理论， 将在以下章节作详细的介绍。 1 4 本文的研究内容和结构 本文的主要工作是针对分布式认知o f d m 系统进行链路建立过程的设计，采用基于 无速率码分组传输的自适应干扰避免机制，并对其中的分组接入控制算法进行研究，利 用v c 和m a t l a b 工具进行系统仿真，验证所提出方案的有效性。主要贡献有以下几 点： 浙江大学硕士论文绪论 1 对认知无线电链路建立中的实施细节进行了设计，提出一个比较完整的无线链路 建立协议。该协议利用了无速率码自适应干扰避免的特性来对抗认知建链中难以避免的 分组丢失，不同于以往采用a r q 机制实现链路差错控制的方法，具有自己的独到性。 采用这种方法降低了对于公共控制信道的依赖性，相对于a r q 机制更适合于在认知无 线电系统中实施。同时对相关配套物理层技术进行了探索，提出了基于n c o f d m 调制 的数据传输方式以及基于t d c s 的控制信道实现方式，为认知链路建立协议的实施提供 了保障。 2 提出了一种基于强化学习模型的在线( o n l i n e ) 机会频谱接入方法，从用户基于对 环境反馈的分析，实现对于当前自身最佳策略的独立判断，选择各时刻在各子载波上的 接入概率；分析比较了强化学习中记忆型和无记忆型的两类算法，并通过m a t l a b 仿 真验证。仿真证明，从用户通过强化学习可收敛至以一定概率接入部分子载波，能够实 现有效的接入基于强化学习的机会频谱接入方法符合认知无线电的基本精神，灵活易 于实施，可有效应用于准静态与快变信道环境，具有较高的实用性。 3 提出了一种自适应的接入时长控制方法，针对目前接入时长研究中对于网络场景 的假设过于简化的问题，提出了适用于实际多主用户多从用户场景的在线自适应接入时 长控制方法，该方法的核心思想与强化学习算法具有内在的一致性。仿真验证，该方法 比采用固定最优接入时长可获得更高的吞吐量。 本文的主要内容和结构安排如下： 全文共五章。第一章为绪论，首先简要介绍了认知无线电当前的发展情况，接着提 出了所研究的认知链路建立协议中的主要技术难点和研究现状，最后是本文的主要贡献 和结构安排介绍。 第二章首先对无速率码分组传输在认知链路建立中应用的可行性进行了进一步的分 析，基于分组接入有效性和实时性的目标，提出了基于无速率码分组传输的简化握手机 制，然后介绍了无速率码的编译码原理，最后对相关配套物理层技术进行了探索，提出 了基于n c o f d m 调制的数据传输方式以及基于t d c s 的控制信道实现方式。 第三章对无速率码分组传输中的接入控制关键技术进行研究，分为两部分工作。一 是提出了一种基于强化学习的机会频谱接入控制方案，包括基于马氏决策和基于统计平 均的两类共三种接入控制方案，并对这几类实施方案进行了仿真比较；此外对接入时长 控制算法进行了研究，提出了一种在线自适应的接入时长控制方法，并通过仿真与采用 9 浙江大学硕士论文绪论 固定最优接入时长的方法进行比较。 第四章结合所述各种技术，对认知o f d m 中的建链协议进行了设计。首先提出系统 的基本设置和假设，接着对于协议的实施流程进行了详细描述，最后搭建了基于v c 和 m a t l a b 的联合仿真平台，对建链过程进行了仿真。 第五章总结了全文内容和贡献，指出认知链路建立以及相关应用研究领域中值得进 一步深入研究的方向。 1 0 浙江大学硕士论文建链中基于无速率码的差错控制机制及关键物理层技术 2 建链中基于无速率码的差错控制机制及关键物理层技术 2 1 基于无速率码分组传输的差错控制机制 认知无线电通信链路建立之初，p e e r 两端从用户互不确知对方信息，且从用户间可 用频谱状态信息不完全相关。因此链路建立的主要功能是实现从用户双方协商传输参数 等基本用户信息，在主用户活动性不强、信道状态变化不剧烈的准静态网络传输环境下 还要进行适当的谱图交换( s p e c t r u me x c h a n g e ) 。 建链之初，链路存在严重的分组丢失现象，原因主要有三点：由于地理位置的差异， 收发两端存在信道不匹配【3 0 】的情形，如图2 1 示例，且收发两端互不确知对方的信道状态 信息( c s i ) ，发射机可能在接收机不可用的频点上进行分组接入；感知信息可能不够准 确，造成发射机对感知指示可用而实际不可用的频点进行分组接入；分组接入过程中主 用户动态返回信道干扰了正在传输的分组。基于上述原因，发射机发送的数据分组无法 到达接收机的可能性较大，存在比较严重的分组丢失现象。 f t a n 鲫唧r o r 眦一；s s t o n t a - - o c a 伽r o r 衄嘲雠s ； 图2 1 频谱失配示意图 为对抗建链之初的分组丢失，需要采用有效的差错控制机制或链路干扰避免机制。 传统的链路差错控制主要采用前向纠错f e c 结合a r q 重传的方式。f e c 技术采用信道 编码技术进行检错纠错，这种方式往往根据最差信道状况进行设计，导致需要大量的冗 浙江大学硕士论文建链中基于无速率码的差错控制机制及关键物理层技术 余信息，效率较低。a r q 技术则通过对发生错误的分组进行重传来实现差错控制，以吞 吐量为代价换取高的可靠性。 而采用无速率码( r a t e l e s sc o d e ) ，发射机源源不断的产生编码，接收机只需要收到 足够多的编码就可正确恢复数据，这样就实现了在不确定信道准确状态的情况下，选择 了合适的码率进行传输，实现了自适应的干扰避免和差错控制【2 。 采用无速率码进行分组传输，某个或某些数据分组丢失并不影响最终译码，无需像 a r q 那样需要接收机频繁反馈a c k 或n a c k 告知发射机当前分组接入的情况，以决定 是否要重传。基于无速率码的分组接入中，发射机每发送一个数据分组，可以不等待接 收机反馈信息，即发送下一个分组，极限情形是发射机不停发送，当接收机成功译码时， 最终回复一个简单的反馈信号告知发射机译码成功，发射机结束传输。这种方式将反馈 的需求量降到了极限，可称为无反馈的方式。能够在没有反馈的情况下仍然实现数据的 可靠传输是无速率码的一大特性。尽管无速率码可以工作在无反馈的方式下，但经过分 析，我们认为在实际认知链路建立过程中，仍有采用反馈的必要。这是由于建链之初收 发双方没有或只有很少的先验知识，在这种情况下，发射机的接入策略必然不够理想， 若发射机不管接收机接收的情况盲目一味发送，将导致冲突频繁，不仅资源利用效率低 下，最终的建链时延也必然增大。因此，我们考虑依然采用d a t a a c k 的握手机