（通信与信息系统专业论文）基于linux无线网卡的认知无线电平台的研究与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：叠勃垒氢 本人承担一切相关责任。 日期：竺丝：2 ：! 至 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释；本学- 位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名一至望垒望、 日期：型坌：生兰 国家自然科学基金 认知无线电系统中多用户协作分集理论及关键技术研究 ( 编号：6 0 8 7 2 0 4 9 ) ( 时问：2 0 0 9 1 2 0 11 1 2 ) 北京邮电大学硕士学位论文 基于l i n u x 无线网卡的认知无线电平台的研究与实现 基于l i n u x 无线网卡的认知无线电平台的研究与实现 摘要 随着无线通信技术的发展以及无线业务的推出，对无线频谱的需 求不断增长，频谱已经成为一种非常稀缺的资源。认知无线电技术可 以有效缓解频谱分配和利用之间的矛盾，被认为是解决频谱利用率低 的最佳方案之一。它通过感知外界环境，调整内部参数和工作状态， 从而可以显著提高无线频谱的使用效率。目前很多工作大都集中在频 谱感知的理论研究，而认知实验平台的研究工作相对较少。本论文基 于a t h c r o s 无线网卡搭建认知无线电的实验平台，该实验平台造价低 廉，物理层感知等功能的实现方式比较简单，并且能够提供验证不同 m a c 层算法的功能。 首先，论文简述了认知无线电的基本概念，现今认知无线电平台 的发展情况，并分析了i e e e8 0 2 11m a c 层网络结构、帧结构细节、 处理流程和p h y 层的基本功能。 其次，分析m a d w i f i 无线网卡驱动源代码，s o f t m a c 的原理及实 现方式，如何屏蔽驱动自带的m a c 层，并分析了l i n u x 网络协议栈， 为后面确立实验方案奠定了基础。 之后，设计实验方案并搭建了实验环境，编写程序获得了大量实 验数据，分析得出物理层感知功能的实现方式和参数设置，并完成了 信道切换部分的功能。 最后，在所提出的实验平台上编写了认知无线电m a c 层实例 c rm a c ，抽象出了相应的物理层接口，并指出了其使用方式。本实验 平台为今后验证认知无线电m a c 层算法的性能提供了平台支持。 关键词：认知无线电，s o f t m a c ，8 0 2 11 m a c ，无线网卡驱动 北京邮电大学硕士学位论文 基于l i n u x 无线网卡的认知无线电平台的研究与实现 北京邮电大学硕士学位论文 基于l i n u x 无线网卡的认知无线电平台的研究与实现 r e a s e r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f c o g n i t i v er a d i op l a t f o r m b a s e do nw i r e l e s sl a nd r i v e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e r v i c e ，t h ed e m a n d sf o rw i r e l e s ss p e c t r u m k e 印r i s i n gi nt h er e c e n ty e a r s ms p e c t r u mh a sb e c o m eav e r ys c a r c e r e s o u r c e ，w h i c hw o u l ds e r i o u s l yr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n c o g n i t i v er a d i oi sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h eb e s t s o l u t i o n so ft h i sp r o b l e m b ys e n s i n gt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，a d j u s t i n g i n t e m a l p a r a m e t e r s a n d w o r k i n g c o n d i t i o n s a c c o r d i n g t ow i r e l e s s e n v i r o n m e n t ，i tc a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fw i r e l e s s s p e c t r u m a tp r e s e n tm o s tw o r kh a sc o n c e n t r a t e di nt h et h e o r e t i c a l r e s e a r c ho ft h ec o g n i t i v er a d i o ，f e wp e o p l eb u i l dc o g n i t i v er a d i op l a t f o r m t h i sa r t i c l ei st ob u i l dc o g n i t i v er a d i op l a t f o r mb a s e do nl i n u xw i r e l e s s l a nd r i v e r t h e p l a t f o r mh a st h ec o g n i t i v ea b i l i t yo fp h ya n daf l e x i b l e m a cf o rc o g n i t i v er a d i o f i r s to fa l l ，id e s c r i b et h eb a s i cc o n c e p to fc o g n i t i v er a d i o ，t h e d e v e l o p m e n to fc o g n i t i v er a d i op l a t f o r m ，a n dt h en e t w o r ks t r u c t u r e ， f r a m es t r u c t u r e ，t h ep r o c e s s e so fl e e e8 0 2 11m a c l a y e ra n dp h yl a y e r s e c o n d ，id e s c r i b et h es t r u c t u r eo fm a d w i f id r i v e r , t h em e t h o do f i m p l e m e n t a t i o no fs o f i m a c h o wt oo v e r r i d et h em a cl a y e ri nt h e d r i v e ra n dg i v eab r i e f d e s c r i p t i o no ft h el i n u xn e t w o r kp r o t o c o ls t a c k l a t e r , id e s i g n e dap r o g r a mt og e tt h ep a r a m e t e r si nt h em a d w i f i d r i v e ra n ds e tu pt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mt o g e tal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t a ld a t a a r e ra n a l y z i n gt h e s ed a t a , ig o tt h ep a r a m e t e ro f i i 北京邮电大学硕士学位论文 基于l i n u x 无线网卡的认知无线电平台的研究与实现 c o g n i t i v ef u n c t i o no fp h y a n dt h em e t h o do f c h a n g i n gt h ec h a n n e l f i n a l l y , ic o m p l e t eac rm a c i n s t a n c ef o rc o g n i t i v er a d i ob a s e do i l t h i sp l a t f o r ma n di n t r o d u c eh o wt ou s et h i si n s t a n c e t 1 1 i sp l a t f o r mc a n c o m p l e t et h eb a s i cf u n c t i o n so fc o g n i t i v er a d i oa n dm e e tt h er e q u i r e m e n t s o fs y s t e md e s i g n i tc a l lp r o v i d eap l a t f o r ms u p p o r tf o rt h ea l g o r i t h m so f c o g n i t i v er a d i om a cl a y e r k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s o f t m a c ，8 0 2 1lm a c ，w i r e l e s sl a n d r i v e i i i 第二章i e e e8 0 2 1 1 协议综述9 2 1i e e e8 0 2 1l 协议栈简述。9 2 2i e e e8 0 2 1 1 网络组成结构1 0 2 3i e e e8 0 2 1 1m a c 层1 l 2 3 1i e e e8 0 2 1 1m a c 的两种模式1 2 2 3 2m a c 层服务及m a d w i f i 协议流程1 4 2 3 3m e e8 0 2 11m a c 帧结构1 7 2 4i e e e8 0 2 1 lp h y 层1 9 2 5 本章小结一2 l 第三章l i n u x 下无线网卡驱动分析2 3 3 1 网卡驱动的基本结构2 3 3 1 1 网卡驱动基本结构2 3 3 1 2 中断处理例程2 6 3 2 重要的数据结构2 7 3 2 1 套接字缓冲区2 7 3 。2 2n e td e v i c e 结构2 8 3 3l i n u x 内核中的网络体系结构2 9 3 4 本章小结3 1 第四章m a d w i f i 与s o f t m a c 驱动分析3 3 4 1m a d w i f i 驱动分析。3 3 4 1 1m a d w i f i 驱动结构3 3 i v 北京邮电大学硕士学位论文基于l i n u x 无线网卡的认知无线电平台的研究与实现 4 1 2p c i 驱动部分3 4 4 1 3 中断处理部分3 5 4 1 4 数据收发部分分析3 6 4 2 基于m a d w i f i 的s o f t m a c 原理及实现3 7 4 2 1s o r m a c 原理3 7 4 2 2s o m 山c 实现方式。4 0 4 3 本章小结4 3 第五章认知无线电实验平台的实现4 5 5 1 物理层感知功能的实现4 5 5 1 1 主用户感知方式4 5 5 1 2 方案一的可行性分析4 6 5 1 3 方案二的可行性分析4 7 5 1 4 主用户感知参数选择4 9 5 2 信道切换功能的实现。5 2 5 3 实验平台整体架构的搭建5 4 5 3 1 整体平台场景。5 4 5 3 2 创建c rm a c 实例5 5 5 3 3c rm a c 的使用方式5 7 5 4 本章小结5 8 第六章结论与展望一6 l 6 1 论文工作总结。6 l 6 2 下一步的工作6 1 参考文献6 3 致谓l 6 7 攻读学位期间发表的学术论文一6 9 v 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统对于频谱的需求不断增长，频 谱已经成为了一种稀缺资源，这将严重制约无线通信的发展。因此如何更有效地 利用频谱资源的问题显得日益突出。认知无线电技术被认为是目前解决无线频谱 利用率低的最佳方案之一。它可以有效缓解频谱分配和利用之间的矛盾，通过感 知外界环境，自适应的调整内部参数和工作状态，适应外界无线环境的变化，从 而可以显著提高无线频谱的使用效率。频谱共享技术作为认知无线电的关键技术 之一在当前通信领域的研究和学习中受到越来越多的关注。 1 1 认知无线电概述 量 图卜1 某一时刻频谱使用率图 认知无线电概念最早由j o s e p hm i t o l a 提出【l 】，其基本设计思想是使得无线 电系统能够认知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数。当今的无线网络采 用的是固定频谱分配政策，即无线频谱资源的规划和使用是由政府部分制定的， 收发机对它的使用需要得到政府的许可。然而，目前无线频谱的应用状况是，频 谱资源稀缺，但是无线频谱的平均使用率相对较低，且不平衡，如图卜1 所示u 】。 美国联邦通信委员会( f c c ) 发现无线频谱资源并没有得到充分利用【3 4 1 。f c c 2 0 0 3 年底的n p r m 指出目前分配出的频谱的利用率从1 5 8 5 不等，某些频带如移动 手机网络的频带是超负荷的，但是诸如业余无线电等相当多频段并没有得到充分 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 使用。这也是用户需求增长与频谱资源匮乏之间的矛盾，它将成为宽带无线技术 发展的瓶颈。 认知无线电技术能够很好的解决这个矛盾。它可以在不影响授权频段正常通 信的前提下，让具有认知功能的无线电通信设备发现并接入授权频谱资源的空闲 频段内，动态的利用频谱，从而大大提高现有的频谱使用效率。所以认知无线电 至少应该具有对所处环境的实时感知能力和对通信系统参数的重新配置能力。感 知能力能够使系统与周围环境进行交互，进而选择合理的通信参数来适应环境； 重新配置能力能够使系统在不改变任何硬件模块的前提下自适应地完成发射载 频、功率以及调制方式等通信参数的改变。从感知方面看，认知无线电是一个信 号处理和机器学习过程；而从重新配置方面看，认知无线电更像是使用软件无线 电技术来执行通过感知能力而获得的任务。 1 1 1 认知无线电研究现状 各标准化组织和行业联盟已经开展认知无线电相关的研究，并且开始着手 制定认知无线电的标准和协议。下面主要介绍近几年认知无线电的发展情况【5 】【6 】。 1 9 9 9 年，j o s e p hm it o l a 提出认知无线电系统，并通过无线电知识描述语言 ( r k r l ) 来加强个人无线服务的灵活性，对认知无线电进行了扩展。他指出认知 无线电怎样通过r k r l 来提高个人无线业务的灵活性川。 2 0 0 3 年，美国国防部高级研究计划署成立了下一代通信计划( x g ) ，着眼于 开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准，计划研制以认知无线电为核心 的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。同年5 月，认知无线电工 作组在华盛顿正式成立。之后在1 1 月份，f c c 提出干扰温度的概念，它是新的 量化和管理干扰的指标。 2 0 0 3 年1 2 月，美国联邦通信委员会发布了关于认知无线电技术及其应用的 政策提案公告( n p r m ) 。该公告提出了认知无线电可被允许应用的可能场景：“认 知无线电能够使没有与授权用户达成自愿协议且无频谱使用许可的用户接入频 谱。譬如，在授权用户不曾占用的某一频段的时间段或空间段上占用该频段。 2 0 0 4 年3 月，认知无线电学术会议在美国拉斯维加斯召开，这标志着认知 无线电正式起步。同年5 月，f c c 建议认知无线电可以工作在t v 广播频段，并 提出最适合应用认知无线电技术的是u h f 中分配给t v 广播业务的6 m h z 频段。同 年1 0 月，i e e e 8 0 2 2 2 工作组j 下式成立。该工作组致力于开发物理层( p h y ) 和 媒体接入层( m a c ) 空中接口标准。这个标准成为世界上第一个认知无线电技术 标准、第一个基于认知无线电技术的网络空中接口标准，从而把认知无线电技术 由概念变成现实。该标准主要工作在5 4 m h z 8 6 2 m h zv h f u h f 频段上未使用的 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 t v 频段，采用了频谱感知、授权用户检测、干扰避免等频谱管理技术实现授权 用户和认知用户之间的共存、频谱的共享。其工作模式为一点到多点。 2 0 0 4 年1 0 月，软件无线电论坛成立了认知无线电工作组与认知无线电特殊 兴趣组，专门开展有关认知无线电技术的研究。该组织主要致力于认知无线电平 台的分析和多模式调整功能的研究。1 2 月，i e e e 专门成立了致力于解决共存问 题的i e e e s 0 2 1 6 h 工作组，利用认知无线电技术使i e e e 8 0 2 1 6 系列标准可以在 免授权的频段获得应用，并降低对其它基于i e e e 8 0 2 1 6 免授权频段服务用户的 干扰。利用认知无线电技术使w i l a x 适用于u h f 电视频段。 2 0 0 5 年，i e e e 成立了i e e e l 9 0 0 标准组，进行与下一代无线通信技术和高级 频谱管理技术相关的电磁兼容的研究。该组致力于研究认知无线电技术的发展和 与其它无线通信系统的共存的问题。i e e e 8 0 2 2 2 和i e e e 8 0 2 1 6 h 都只是认知无 线电的简单应用。荷兰国家资源计划免费频段通信项目发起了自适应自组网免费 频段通信( 从f ) ，它利用认知无线电技术对应急网络进行研究。同年1 0 月，f c c 正式批准了关于使用认知无线电技术、使用认知无线电设备的法规。并提出除 t v 广播6 m h z 频段外，在高频率频段认知无线电也可发挥其作用。 2 0 0 6 年3 月，i t u r 提出将认知无线电单独作为一个研究课题进行研究。同 年i e e e 发布d r a f ts t a n d a r dv o 1 。同年9 月，d a r p a 启动无线自适应项目，计 划通过智能适应和更大的节点密度来减少设备代价。 2 0 0 7 年1 月，软件无线电论坛会议上，认知无线电与频谱效率工作组决定 对f c c 相关的一些工作做出回应。同年1 2 月，i e e e 发布d r a f ts t a n d a r dv o 4 。 2 0 0 8 年6 月，软件无线电论坛召开了第5 9 届大会，大会把电视空白频道的使用 作为一个重要议题。 目前对认知无线电技术的研究涵盖了物理层、链路层等各层次。主要代表有 美国加州大学伯克利分校的无线研究中心的c o r v u s 系统及其进行的各种频谱监 听技术和算法的实验仿真和性能分析、维吉利亚工学院无线通信技术中心的基于 遗传算法的认知模型的研究以及认知无线电节点引擎实验床的研发等。许多重要 的国际学术期刊也于近期刊发有关认知无线电的专辑。 国内针对认知无线电的研究也在有计划地开展。“8 6 3 计划通信高技术研究 开发面向“十一五 快速启动引导课题里提到，对认知无线电技术研究包括几个 方面：基本概念、应用需求、关键技术和实现方案。总体而言，认知无线电不论 是理论研究还是应用方面还都处于起步阶段，频谱政策方面也需要进一步开放。 1 1 2 认知无线电关键技术 认知无线电主要关键技术包括：频谱检测、频谱分析与频谱决策、频谱共享、 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 频谱移动性管理等。 1 ) 频谱检测 频谱检测技术，是通过对周围环境参数的实时测量与检测，获取可用的时域、 频谱或空域上的频谱空穴。频谱检测对频谱空穴的发现是以不干扰主用户正常工 作为前提的，因此认知用户在借用主用户空闲频段通信的过程中应能够及时地发 现该频段上出现的主用户，并采取相应的措施，例如无缝切换到其它可用频道， 以达到不影响主用户正常工作的目的。目前对频谱检测技术的研究主要包含发射 机探测，合作探测，基于干扰的探测。发射机探测方法主要有匹配滤波探测，能 力探测，静态循环特征探测。特征探测与频谱分析相结合，并结合基于神经网络 的模式识别技术可以提高探测的性能和效率。合作探测亦可称作多点协作频谱检 测，将多个节点的频谱探测结果作为检测的标准，进而降低了检错概率。基于干 扰的探测可以采用两种途径来实现，一种是采用多窗口方法估计干扰温度的功率 谱两一种方法是部署大量的传感器来获得无线环境具体情况。 频谱检测技术面临以下几个方面的挑战：主用户接收端的干扰温度的准确检 测和估计、检测算法复杂度的降低、检测算法执行时间的提高、检测算法误差的 界定、认知用户协同合作的频谱检测等。这些方面都有待迸一步的研究。 2 ) 频谱分析 频谱分析的目的主要是将所探测到的不同频谱特性进行分析管理，为频谱判 决模块能够作出符合要求的判决结果提供最可靠的信息。频谱分析是认知无线电 系统根据频谱检测的结果对时域、频域、空域频谱空穴的特性参数进行进一步的 分析和总结。为了更好的表示频谱空穴的质量，可以抽象出许多参数，这包括： 干扰等级、路径损耗、无线链路错误、路径时延、占用时间等。频谱分析通过这 些参数进行进一步的信道估计和信道容量估算，从而为具有不同q o s 要求的认知 用户分配不同通信信道。频谱分析是其他后续一系列分配管理的基础。 目前在频谱分析工作主要集中在频谱的容量估算上。但是，除信道容量外， 还有许多其他的因素，如链路质量，传输延迟、错误率和占用时间也会对用户所 需的服务质量产生重要影响。而且，信道容量也与干扰水平和路径损失等因素密 切相关。频谱分析应当充分考虑这些因素。但是，目前还没有一个认知无线电系 统考虑到所有因素，因此需要建立更完善的的频谱分析模型 3 ) 频谱决策 当频谱检测所得到的频谱信息经过频谱分析模块，频谱决策将利用这部分结 果，根据认知用户的所需要的传输速率，容许的误码率，最大延迟，传输模式， 传输带宽等信息，将合适的信道分配给认知用户进行通信，从而满足认知用户的 特定要求。不同的频谱决策区别在于不同的目标函数和评估。例如基于公平性和 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 通信成本，基于s n r 信道跳跃协议来选择质量好的信道，基于某一频段上频谱切 换次数等方式。和频谱分析一样，频谱判决这一领域还有很多的工作要做。 频谱决策的难点在于：决策模型的建立，目标函数的选择，以及授权频段 ( l f b ) 和非授权频段( u f b ) 的不同决策规则的制定。频谱决策目前也需要进一 步的研究。 4 ) 频谱共享 由于频谱的开放性，频谱共享是一个认知无线电系统的另一个难点。频谱共 享问题有些类似于传统通信系统中m a c 所需要解决的问题。频谱共享可以分为两 大方面，一方面是认知用户与授权用户之间的频谱分配问题，另一方面是认知用 户之间对于可用信道的共享问题。认知用户之间的共享与通信系统中的频谱共享 技术类似，但也有不同之处。目前的频谱共享技术可以分为结构，频谱分配行为 ( s p e c t r u ma ll o c a t i o nb e h a v i o r ) 和频谱接入技术( s p e c t r u ma c c e s s t e c h n i q u e ) 三方面。频谱共享技术可以划分为两个结构：集中式频谱共享和分 布式频谱共享。频谱分配行为可以划分为合作式( c o o p e r a t i v e ) 频谱共享和非 合作式( n o n - c o o p e r a t i v e ) 频谱共享。频谱接入技术可以分为o v e r l a y 频谱共 享和u n d e r l a y 频谱共享。 目前，认知无线电的频谱共享技术主要基于频谱池策略【8 】，其主要思想是将 一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，频谱池中的频谱可以是 不连续的，将整个频谱池划分为若干个子信道。根据需要认知用户可临时占用频 谱池里的空闲信道以完成通信。 5 ) 频谱移动性管理 认知无线电需要用户能够动态的调整使用频率，才能达到不干扰主用户，获 得更好的可用信道的目的。频谱移动性管理是指在某种条件下认知无线电用户能 够改变工作频段。其主要问题是频谱切换( s p e c t r u mh a n d o f f ) 。在认知用户工 作的频段上有主用户出现时，应立即将该频段归还给主用户使用，并能够保证认 知用户快速地切换到其它可用频段，并且需要保证数据传输不中断。另外，当认 知用户所工作的频段的性能有所下降、用户服务质量降低的时候，频谱的移动性 管理应为认知用户提供切换到其它更好频段的机制。 当认知无线电切换工作频率的时候，网络协议将调整自身，从一种工作状态 切换成另外一种。频谱移动管理的目的就是使网络状态变换尽可能快的、平滑的 进行，确保在这样的频谱切换中最大限度地降低认知无线电用户的业务性能损 失。频谱移动管理算法的重点是降低频谱切换动作的延迟时间。因此，一个多层 频谱移动管理协议对于实现上述的功能是必要的，它应使频谱管理功能够适应多 种类的应用业务。 5 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 认知无线电实验平台现状 认知无线电系统需要动态地感知外界变化，并动态地调节本身参数，所以频 谱感知功能被认为是一项关键技术。但之前人们的很多工作大都集中在频谱感知 的理论研究，而认知实验平台的研究工作相对较少。h a r a d a 等人在 9 q a 采用了 软件无线电( s d r ) 方式，其能更新自身参数来运行不同的协议。但由于使用了 软件无线电，开发周期长，造价也比较昂贵。m i s h r a 等人【1 0 1 基于伯克利仿真平 台( b e r k e l e ye m u l a t i o ne n g i n e 2 ) 搭建了认知实验平台，但没有考虑物理层感知 功能实现的细节。d e g r o o t 等人在 1 1 1 q j 详细介绍了t v 频段检测的物理层实现 方式，但其实现方式并不简单。d o e r r 等人【1 2 1 通过屏蔽a t h e r o s 芯片中部分8 0 2 11 的功能实现了虚拟软件无线电平台( v i r t u a l s d r ) 。基于这个平台，他们实现了 s o f l m a c ，m u t i m a c 等实验平台。但此平台只能提供一种m a c 层实验平台， 并没有认知无线电所需要的物理层感知功能的实现。2 p s y n o pm a c ”】同样屏蔽 了8 0 2 1 1 硬件功能并创建了一个新的m a c 层，但这个平台的目的是为了实现特 定的m a c 层结构，并不是认知无线电的实验平台，同样缺少物理层的相应功能。 h y o i lk i m 等人 1 4 1 同样采用了a t h e n s 芯片组的w l a n 设备，但他们着重于实现 物理层感知的功能，并没有提出如何搭建一个完整的认知无线电实验平台。 软件无线电( s d r ) 因其本身的性质可以实现认知无线电平台，但制作这样 一个特定的平台价格比较高，目前有一些科学基金资助了一些这样的项目。【1 5 】 中胡圣波等人提出了一种基于s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的异构可重构认知无线电 平台的设计方法，该平台主要实现物理层的功能，其实现复杂度相对较高，并且 不包括m a c 层以上的性能研究。 因此，论文提出一种简单易行的实验方案，基于普通的8 0 2 1 1 无线网卡 ( a t h e n s5 2 1 2 ) 来搭建认知无线电实验平台，相对于先前的认知实验平台造价低 廉，物理层感知功能的实现比较容易，并且能够提供验证不同m a c 层算法的功 能。 1 3 论文组织结构 本论文由国家自然科学基金项目( 6 0 8 7 2 0 4 9 ) ，“认知无线电系统中多用户协 作分集理论及关键技术研究”支助，为认知无线电系统提供平台支持。 论文第一章首先概述了认知无线电技术的研究情况。其次介绍了认知无线电 的关键技术，如频谱检测、频谱分析与频谱决策、频谱共享、频谱移动性管理等。 6 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 之后简单介绍了认知无线电平台的研究现状。 第二章讲述论文中所需要的i e e e8 0 2 1 1 协议的基本内容，包括i e e e8 0 2 1 1 m a c 层所能提供的服务，工作模式，m a c 层帧结构，以及i e e e8 0 2 1 1 物理层 基本功能。 第三章讲述l i n u x 下无线网卡驱动的基本知识，包括驱动整体结构，中断处 理，t a s l d e t ，套接字缓冲区，n e td e v i c e 结构体等。由于在测试中还要用到l i n u x 内核中网络协议栈的部分知识，所以本章最后分析了这部分知识。 第四章首先分析了m a d w i f i 驱动源代码，并对整体结构，p c i 驱动，数据包 的收发流程做了介绍。之后分析了s o f l l v i a c 的实现原理，如何屏蔽网卡自带的 m a c 层功能，以及在m a d w i f i 中的实现方式。 第五章提出了实验平台的设计方案。针对无线网卡中物理层感知的功能提出 了实验方案和参数选择标准，并完善了切换信道的功能。最后创建了认知无线电 m a c 层实例c rm a c ，并将基本的函数抽象出来以备使用，经测试本实验平台 能满足设计要求。 最后，第六章对以上工作进行了总结，并指出了平台的不足以及今后需要完 善的部分。 1 4 本章小结 认知无线电技术作为目前解决无线频谱利用率低的最佳方案之一，受到了人 们越来越多的关注。本章首先阐述了认知无线电的基本概念以及认知无线电研究 现状、之后介绍了认知无线电的几个关键技术。接着又对认知无线电实验平台的 现状进行了简单介绍，最后给出了论文的组织结构。 7 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 8 规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，工作在2 4 0 0 0 - - 2 4 8 3 5 g i - i z 频段。i e e e8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于难于布 线的环境或移动环境中计算机的无线接入，由于传输速率最高只能达到2 m b p s ， 所以，业务主要被用于数据的存取。 2 1i e e e8 0 2 1 1 协议栈简述 i e e e8 0 2 1 1 协议发展有1 0 余年，已经的到了非常广泛的应用，8 0 2 1 1 协 议版本很多，每个版本的功能如下。 i e e e8 0 2 1l b ：能够在2 4 g i - - i z 信道上支持2 m b i t s 的数据传输。19 9 9 年， i e e e8 0 2 1 l b 在2 4 g h z 信道上对物理层进行了改进，补充了支持 11 m b i t s 的信道，实际使用速率根据距离和信号强度动态变化( 1 5 0 米内1 - 2 m b p s ，5 0 米内l l m b p s ) 。i e e e8 0 2 1 l b 设备之间有很好的兼容 性，这种兼容性使其使用范围大大提高。 i e e e8 0 2 1 l a ：1 9 9 9 年，制定完成i e e e8 0 2 1 l a ，物理层采取了o f d m 的传输方式，能够在5 g h z 的信道支持最高5 4 m b i t s 的数据传输。实际 使用速率一般为2 2 2 6 m b p s 。但与i e e e8 0 2 1 l b 不兼容。 i e e e8 0 2 1 l c ：加入了符合8 0 2 1 d 的媒体接入控制层( m a c ) 桥接模式 ( m a c l a y e rb r i d g i n g ) 。 i e e e8 0 2 1 l e ：对服务等级( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 进行了支持。通过 该协议i e e e8 0 2 1l a ，b ，g 能够运行口。i e e e8 0 2 1 1 e 是通过无线数据 网实现语音通话功能的协议。该协议将对传统移动通信网络产生强有力 的冲击。 i e e e8 0 2 1 1 f 添加了基站间的互连性( i n t e r o p e t a b i l i t y ) 。 i e e e8 0 2 1 1 9 ：在物理层上做了补充，添加了5 4 m b i t s 的2 4 g h z 信道。 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 11 协议综述 并且与i e e e 8 0 2 1l b 向下兼容。 i e e e8 0 2 1 l h - 调整了无线覆盖半径，将5 g h z 信道分为室内( i n d o o r ) 和室外( o u t d o o r ) 两种。本身是i e e e8 0 2 1 l a 的扩展，目的是兼容其 他5 g h z 频段的标准。 i e e e8 0 2 1 l i ：对安全和鉴权( a u t h e n t i f i c a t i o n ) 方面做了补充。是新的 无线数据网安全协议针对w e p 协议中的漏洞，i e e e8 0 2 1 l i 提出了 新的t k i p 协议解决该安全问题 i e e e8 0 2 1 l n ：采用了多重输入输出( m i m o ) 和4 0 m b i t 信道宽度( h t 4 0 ) 技术，该项技术是i e e e8 0 2 1 l a g 物理层加强版，能够提供更高的传输 速率。 i e e e8 0 2 i l k ：规定了无线局域网中频谱测量所能提供的服务，并以协 议方式规定了测量的类型及接收发送的格式。此协议制定了几种有测量 价值的频谱资源信息，并建立了一种请求报告机制，使测量的需求和 结果在不同终端之间进行通信。 i e e e8 0 2 11 b + ：通过p b c c 技术( p a c k e tb i n a r yc o n v o l u t i o n a lc o d e ) 在 i e e e 8 0 2 1 l b ( 2 4 g h z 频段) 基础上提供2 2 m b i t s 的数据传输速率。但 这并不是一个i e e e 的公开标准，而是一项产权私有的技术( 产权属于 美国德州仪器，t e x a si n s t r u m e n t s ) 。 i e e e8 0 2 1 1 矿：在i e e e8 0 2 1 l g 的基础上提供1 0 8 m b i t s 的传输速率， 属于是非标准技术，如由无线网络芯片生产商a t h e r o s 所提倡的s u p e r o 2 2i e e e8 0 2 1 1 网络组成结构 i e e e8 0 2 1 1 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集b s s ( b a s i c s e r v i c es e t ) 一个基本服务集b s s 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在 本b s s 以内都可以直接通信，但在和本b s s 以外的站通信时都必须通过本b s s 的基站。一个基本服务集b s s 所覆盖的地理范围叫作一个基本服务区b s a ( b a s i cs e r v i c e a r e a ) 。在无线局域网中，一个基本服务区b s a 的范围可以有几 十米的直径。 基本服务集中的基站叫做接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ，但其作用和网桥相似。 一个基本服务集可以是孤立的，也可以通过接入点a p 连接到一个主干分配系 统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，然后再接入到另一个基本服务集，这样就构成了 一个扩展的服务集e s s ( e x t e n d e ds y s t e m ) 。分配系统的作用就是使扩展的服务 l o 北京邮电大学硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 11 协议综述 集e s s 对上层的表现就像一个基本服务集b s s 一样。扩展服务集e s s 还可为 无限用户提供到非8 0 2 1 1 无线局域网的接入。这种接入是通过叫做门桥( p o r t a l ) 的设备来实现的。 i e e e8 0 2 11 结构如图2 1 所示1 6 1 ： 扩展的服务集e s s 图2 - 1i e e e8 0 2 1 1 网络成员示意图【1 6 1 局域网中需要设置至少一个a p 和一个或一个以上的移动台。a p 每l o o m s 将s s i d ( s e r v i c es e ti d e n t i f i e r ) 经由b e a c o n s 封包广播一次，b e a c o n s 封包的传 输速率是1m b i t s ，并且长度相当的短，所以这个广播动作对网络性能的影响不 大。因为w i f i 规定的最低传输速率是lm b i t s ，所以确保所有的移动台都能 收到这个s s i d 广播封包，移动台可以决定是否要和这一个s s i d 的a p 连线， 如果移动台选择接入此a p ，则与此接入点建立关联。此后，这个移动台可以通 过该接入点来发送和接收数据。当使用分离服务时，就可以终止这种关联。移 动台与接入点建立关联的方法有两种，一种是被动扫描，即移动台等待接收a p 周期发出的b e a c o n 。另一种是主动扫描，即移动站主动发出探测请求帧，然后 等待从接入点发回的探测响应帧。 2 3i e e e8 0 2 1 lm a c 层 虽然载波监听多址接入冲突检测协议( c s m 刖c d ) 已成功地应用于使用 有线连接的局域网，但由于无线局域网不能进行碰撞检测，所以不能简单的采 用c s m a c d 协议。为了解决无线信道本身特点造成的隐藏终端( h i d d e ns t a t i o n 北京邮电大学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1i 协议综述 p r o b l e m ) ，暴露终端问题( e x p o s e ds t a t i o np r o b l e m ) ，8 0 2 1 l 就是用改进的c s m a 协议，改进的办法是将c s m a 增加一个碰撞避免( c o l l i