（通信与信息系统专业论文）认知无线电mac层关键技术仿真与评估.pdf

中文摘要 摘要：无线电频谱资源的急剧稀缺催生了认知无线电技术。认知无线电技术能够 智能地感知外界无线电环境并及时发现频谱空穴。它通过实时改变发射机和接收 机参数如传输功率、载波频率和调制技术等，使认知无线电用户在不影响授权用 户的情况下迅速准确地利用这些频谱空穴，提高了频谱利用率。在认知无线电系 统中，认知无线电m a c 层有着非常重要的作用。 研究者们针对认知无线电系统特别是其m a c 层，提出了大量新颖的思想和算 法。对这些新思想和新算法在统一的系统级仿真平台上进行论证和评测是一项必 不可少的工作。然而，国内外对认知无线电系统级仿真平台的研究和论证非常少。 因此本文重点研究认知无线电系统m a c 层仿真平台的搭建及关键技术仿真。 论文首先研究和总结了认知无线电m a c 层的关键技术。其次讨论了认知无线 电m a c 层仿真平台的搭建方法和实现过程，并对平台的正确性进行了验证。最后 对m a c 层基本指标和自适应协作式感知调度算法( a d a p t i v ec o o p e e a t i o ns e n s i n g s c h e d u l e ，a c s s ) 进行了仿真与评测。评测结果显示本m a c 层仿真平台可以正确、 方便地仿真m a c 层关键技术；自适应协作感知调度算法由于采用了独特的节点分 配算法和信道优先排序，大大缩短了发现频谱空穴的机会，提高了检测效率。 关键词：认知无线电；仿真平台；n s 2 ；m a c ； 评测；感知调度； 分类号：t n 0 1 4 a bs t r a c t a b s t r a c t - t h es h a r ps c a r c i 婶o fr a d i os p e c _ t n l mr e s u l 乜i nt h ep r o p o s e do fc o 鲥t i v e r a d i o ( c r ) t e c l l l l o l o g y w m c hc a ns e n s en l er a d i oe n v i r o 功【i l e n ta n df m ds p e c t n 】mh o l e d u l y 锄ds m a r t l y c rc a i lm a l ( ei t ss u b s c r i b e ru s em es p e c 仇l i i lh o l e sq 试c l d y 趾d c o r r e c t l vw i t l l o u ti n t e r f 砬证gt h ep r i m a r yu s e r sb vc h a i l g i i l gt h e i r 仃a i l s m i t t e ra n d r e c e i v e r sp 舢e t e r ss u c h 觞仃a n s m i tp o w e r ，c 嘶e r 舶q u 朗c y ，m o d u l a t i n gt e c h n o l o g ) r a i l de t c i i lr e a l t i i i l e i tc a i li n c r e 嬲em es p e 咖胍m i l i z a 矗o n ，锄d ，c o 嘶t i v er a d i oma c l a y e rp l a y 锄i i i l p o r t 2 m tr o l ei i lc o 鲥t i v er a d i os y s t e m r e s e a r c h e r sh a v eb e e na d v a n c i n gl a r g en u m b e r so fn e wi d e a sa n dn e wa l g o r i 廿m s t 0c o g 血t i v em d i o ，e s p e c i a l l yi nma cl a y e r i ti si n d i s p e n s a b l et 0e v a l u a t en l e s e a l g o r i m 珈si nau i l i f o ms i m u l a t i o np l a t f o 咖i nh o m ea 1 1 da b r o a d ，h o 、v e v e r ，t 1 1 e r ei sa l i t t l er e s e a r c ha n dp r 2 l c t i c ei i ls y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o n no fc o 嘶d v er a d i o t h e r e f i o r e ，t l l i sp a p e rf 0 c u s e do n 廿：屺c o n s t n 】c t i o no fm a cl a y e rp l a o n n 觚d 也e s i m u l a t i o no fk e yt e c h n o l o g i e si nc o 粤嘶t i v er a d i om a cla _ y e r i i lt l l i sp a p e r ，f i r s t l y ，w el e a n l e d 锄ds u 【m i l a u r i z e ds o m ek e yt e c h n o l o g i e so fc r m a c t h e n ，t 1 1 em e m o d so fb u i l d i i l gs i m u l a t i o np l a t f o 珊f o rc rm a c 、v e r ed i s c u s s e d w 色a l s oc h e c k e d w h e t h e rm ep l a t f 0 n nw eb u i l ti sc o n e c t f i i l a l l v ，w et e s t e dt l l eb a s i c p a 阳m e t e r so f l ep l a 仃0 ma i l de v a l u a t e dt 1 1 ea d a ：p t i v ec o o p e r a t i o ns e i l s i i l gs c h e d u l e ( a c s s ) 甜g o d t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt l l i sm a cl a y e rp l a t f o mc a n s i m u l a t ek e yt e c h n o l o g i e so fm a cl a y e rc o n e c ya i l de f f e t e l y ；t h ea c s sa l g o r i t i m l c a ne f f e c t i v e l vs h o r t e nt h et i m ef o rf i n d i n gs p e c t l l l mh o l ea n d 廿l e r e f o r e ，i n c r e a s et l l e s e n s i n ge 仃e c tb yu s i n gau 1 1 i q u en o d ea l l o c a t i o na l g o r i t l 】ma i l dc h a n n e ls o r t k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；s i m u l a t i o np l a t f o m l ；n s 2 ；m a c ；e v a l u a t i o n ；s e n s i n g s c h e d u l e c l a s s n o ：t n 0 1 4 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成教授的悉心指导下完成的，陶老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来陶成 老师对我的关心和指导。 黄清老师、赵友平老师、徐少毅老师和王海波老师对我的科研工作和论文都 提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘留、周志艳、高源和李佳俊等同学对我论 文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母、女友以及实验室袁伟、张华晶、邱佳慧等同学，他们 的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1选题背景和意义 近年来，无线通信技术的发展日新月异，3 g 技术正在有条不紊的商业化，4 g 技术也在快速的成熟之中。然而，根据i t u 和我国无线电管理委员会的统计，无 线通信最宝贵的频谱资源几乎面临再无频谱可分配的境地。i t u 定义了3 0 0 g h z 以下为无线电磁波的频谱，受电波特性、技术和设备条件限制，目前可用的最高 频率在3 0 g h z 左右。尽管通过频率、时间、地域、码域、空域等相互关联的要素 进行频率的多次复用可以提高频谱利用率，但就某一频段、在一定区域、一定时 间，一定条件下是有限的【l j 。 目前国内外的频谱分配制度为固定频谱分配，将频谱分为授权频段f l i c e n s e d f r e q u e n c yb a n d ，l f b ) 和非授权频段哪i l l i c e n s e df r e q u e n c yb a i l 也u f b ) 两类。大部分 的频谱资源被用作授权频段( 如电视广播频段) ，得到授权频段的团体或个人长期 独占该频谱使用权。非授权频段的频谱资源要少的多，一般采用竞争方式接入使 用。随着无线通信业务的迅猛发展，非授权频段的业务量已趋于饱和。 另一方面，授权频段的频谱资源利用率却非常低。美国联邦通信委员会( f e d e r a l c o i l l i n u l l i c a t i o l l sc o i l l 】【i l i s s i o 玛f c c ) 的研究表明：授权频段的平均利用率范围在 1 5 8 5 之间【2 】。造成这种局面的主要原因是：频谱使用是动态的，但频谱分配 政策却是固定的；固定的授权频段利用率不高，而且存在大量空闲；可分配频谱 少，但频谱需求量巨大。导致这些矛盾的根本原因在于固定分配频谱方案和独占 频谱使用权( 即业务接入权或频谱准入权) 原则。因此，现阶段最实际的办法是 改变业务接入权或频谱准入权，开放频谱使用，提高频谱使用效率和充分利用空 闲频谱。 新的技术总是应运而生。1 9 9 9 年，j o s e p hm i t o l oi i i 博士在他的博士论文【3 】中 提出了认知无线电( c o 嘶t i v ei 湖i o ，c r ) 的概念：“认知无线电是指这样一个观点， 在无线资源和相关的计算机与计算机之间的通信方面，无线个人数字助理( p d a ) 和相关的网络具有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用环境的函 数以及提供最符合这些需求的无线资源和服务。于是，认知无线电设备能够为无 线传输自动选择最好和最便宜的服务，甚至能够根据目前或即将可用的资源，延 迟或提前某次传输。 从本质上讲，认知无线电提供了一种“机会方式( o p p o m m i s t i cw a y ) 【4 】共享 和利用频谱的手段，可以有效地解决问题。认知无线电的核心思想就是使无线通 信设备具有发现“频谱空穴 并合理利用的能力，所谓“频谱空穴( s p e 咖蛐h o l e s ) 1 5 j 就是在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源。 认知无线电技术既要能够发现和利用这些频谱空穴，又要使这个过程不对授 权用户造成有害影响，它需要以下几项关键技术： 1 频谱感知 主要功能是感知所有可用自由度( 时间、频率和空间) 的频谱，以寻找当前 可用于传输数据的信道。感知检测器要求可以处理很宽的频谱，并进行宽带频谱 的空时分析。同时，还能够通过交换和融合不同认知无线电节点的本地感知信息， 从而提高检测的可靠性。 2 频谱分析 利用频谱感知所得的频谱空穴和有关无线电环境信息来分析总结这些频段的 频谱特性和空闲模型，使认知无线电系统能够做出符合用户要求的判决和预测。 为了更详细地表示频谱空穴的质量，需要对干扰、路径损耗、无线链路错误、链 路层延迟和占用时间等参数进行定义、测量和分析。 3 频谱决策 根据信道容量和频谱空穴等信息，并按照各个有通信请求的c r 用户的q o s 要求( 传输速率、最大的误码率、最大延迟和传输带宽等) ，为当前的传输选择合 适的运行频段，然后自适应调整传输参数，完成信号传输。 4 频谱共享 认知无线电中的一个主要挑战就是频谱资源的共享。它将有限的资源通过共 享，提高频谱的利用率，这也是认知无线电研究的基本目标。频谱共享的研究主 要包括频谱共享的方式与策略设计，涉及到协议栈中多层协议之间的协调工作， 也与网络结构和控制方式有关。 5 频谱移动性管理 当授权用户出现、信道质量变差或者用户位置移动时都可能导致频率切换。 频谱移动管理负责将当前工作频率跳转、维持用户通信并实现无缝切换。在切换 中不同层的协议必须快速适应新的工作频率的信道参数，并且保证这个过程对用 户来讲应当是透明的。当认知用户改变工作频率的时候，网络协议将从一种工作 状态变换成另外一种。频谱移动管理的目的就是使网络状态变化尽快的平滑进行， 确保在频谱切换中最大限度的降低认知用户的业务性能损失。这里有一个切换的 持续的时间，由频谱感知方法提供。 对于认知无线电系统及上述各项关键技术，虽然已有了大量的研究成果，但 是，在认知无线电系统的性能评估和测试方面，国内外目前所作的研究工作很少， 2 而且还没有一个统一的测试规范。 有鉴于此，2 0 0 9 年初，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 在信息技术领域 设置了“频谱资源共享无线通信系统”重点项目，北京交通大学和国内的其它一 些高校、科研机构及生产厂商都参与到这个项目，电子科技大学等四家单位正在 联合研制原型系统。本论文的研究内容认知无线电m a c 层关键技术仿真与评 估，即是上述研究课题的支持下完成的。 1 2国内外研究现状 随着认知无线电技术的兴起，越来越多的国内外科研机构和大学开始关注这 项新兴的技术。然而，对认知无线电仿真系统的研究成果仍是较少，最突出的仅 有以下几个研究课题。 1 2 1c o r 、唧s 体系 传输层 网络层 s u 组管理媒体接入控制链路管理 链路层 公共控制组管理信 信道 道 ( u c c )( g c c ) 频谱检测 信道估计 数据传输 物理层 图1 1c o r w s 认知无线电仿真平台架构 f i g1 1a r c h i t e c t u r eo fc o r v u sc o g n i t i v er a d i os i m u l a t i o np l a t f 0 册 基于认知无线电方式使用虚拟非授权频谱( c o 鲥t i v e 1 i oa p p r o a c hf o r r h l a lu i l l i c e n s e ds p e c 们瑚，c o r v u s ) 体系，是由加州大学伯克利分校研究组提出 的一个认知无线电仿真体系。它基于i s o o s i 的分层结构，仅在物理层和链路层 做了少量修改，上层网络和传输层仍采原有的一些标准协议。c o r v u s 协议体系 的具体架构1 6 j 如图1 1 所示。 上图中，物理层主要进行频谱检测，信道估计和传统意义上的数据传输等功 能。次用户( s e c o n d a r yu s e r ，s u ) 间的控制和感知信息由通用控制信道和组控制信道 专门实现。链路层主要有组管理、链路管理和媒体接入控制三个模块。它们分别 负责s u 组信息管理、链路维护和多个数据链接并发接入等功能。 。 1 2 2x g 体系 美国国防部高级研究计划署( d e f e n s ea d v a l l c e dr e s e 郜c hp r o j e c t sa g e n c y ， d a r p a ) 资助的x g 【8 1 项目也在认知无线电实际系统的研究中处于前列。 x g 项目涉及的协议体系架构如图1 2 所示： 传输层传输层 i 传输层 网络层同络层网络层 卜 x 1 3 过程 继承 八 m a c 层m a c 层 m a c 层 x g 控制 物理层 ) ( g 优化物理层 物理层 图1 2 x g 协议体系架构 f i g1 2a r c h i t e c t i l r eo f x gc o g n i t i 、月or a d i 0s i m u l a | t i o np l a t f o 傩 x g 系统最大的优势是对传统协议分层模型不需要大的修改，只需要在m a c 层和物理层进行适当的升级即可。修改范围只集中在m a c 层和物理层，分别在两 个层次上增加x g 处理模块。网络层及其以上则不需要改动。 x gm a c 层上增加的x g 处理模块可分为：机会识别、机会分配和机会使用 三个模块。分别负责动态的识别、分配和使用频谱空穴。x g 物理层增加了x g 控 制功能模块部分，它的作用是发现具有x g 特性的帧并进行相应地处理【8 】。 1 2 3w r a n 体系 w r a n 的i e e e8 0 2 2 2 协议体系的特点是与i e e e8 0 2 1 6 体系中的结构、管理 和互联等要求保持一致。8 0 2 2 2 在物理层加入频谱检测技术，可以可靠地检测某 个时空各个电视频段是否被授权电视用户占用。具体检测算法就不再赘述。在m a c 层加入了信道管理( 频谱信道调度) 和测量功能，提供了灵活的q o s 服务。 4 图1 3i e e e8 0 2 2 2 协议体系结构 f i g1 3a r c h i t e d 七l l r eo fi e e e8 0 2 2 2c o g n i t i v er a d i os i m u l a t i o np la 1 f 0 m 图1 3 是8 0 2 2 2 协议的体系结构：由频谱管理模块和若干个m a c 与物理层模 块组成。频谱管理模块使认知无线电系统能够使用不连续的可用频谱，同时也使 m a c 协议的简单和便于扩展。频谱管理模块可以根据一定标准分配可用空闲信道 给各个m a c 与物理层模块，该模块也可以处理信道切换时所需要的可用信道信息 传递。 在国内，2 0 0 2 年就有相关科研机构开始了关于认知无线电系统及关键技术的 研究。电子科技大学和北京交通大学等多所高校和科研机构均参与其中。2 0 0 5 年， 国家“8 6 3 计划 课题资助了“认知无线电技术研究 项目，电子科技大学和西安 交通大学等高校联合开展了对认知无线电技术的研究工作，取得一定成果。2 0 0 8 年初，国家9 7 3 计划在信息领域研究专项中启动了认知无线网络基础研究。2 0 0 9 年初，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 在信息技术领域设置了“频谱资源共 享无线通信系统”重点项目，北京交通大学和国内的其它一些高校、科研机构及 生产厂商都参与到这个项目，电子科技大学等四家单位正在联合研制原型系统。 综上所述，国外开发出了一些认知无线电系统的原型机和试验系统，国内一 些研究机构也正在进行类似的开发。然而，这些原型机和试验系统针对的是特定 的网络应用场景，没有一个适用于各种网络构架的公共测试平台，故不能适用于 一般的网络场景，也不能进行一般的性能评估和测试。所以，为了验证分布式、 集中式等各种网络架构下的认知无线电系统，必需开发出u h f 频段中支持集中式、 分布式等网络架构的通用软件仿真与性能评估平台，以验证认知无线电系统及其 各项关键技术的性能和指标，为实验验证网络开发提供支撑。 1 3论文的主要工作及内容安排 论文首先研究和总结了认知无线电m a c 层的关键技术，并分析了集中式几种 典型的m a c 层平台的优缺点。其次着重讨论了认知无线电m a c 层仿真平台的搭 建环境和搭建方法，并对平台的正确性进行了验证。最后对m a c 层基本指标和自 适应协作式感知调度算法( a c s s ) 的经典场景和各种指标进行了细致的仿真和评 测。本论文的创新点是基于n s 2 搭建了一种适合认知无线电m a c 层关键技术仿 真的运行平台。当前国内认知无线电领域基本没有可运行的m a c 层仿真平台，本 论文所做的平台分析和搭建的m a c 层仿真平台走出了积极的一部。 本论文的内容一共分为六章。 第一章介绍了认知无线电出现的背景，选题的意义，以及认知无线电仿真平 台领域国内外的研究现状和成果。 第二章研究和探讨了认知无线电m a c 层的关键技术，并讨论了三种集中式 m a c 层协议的特征和各自的优缺点。 第三章简单介绍了仿真软件n s 2 并阐述了选择n s 2 的理由。然后着重论述了 认知无线电m a c 层仿真平台的搭建细节和代码实现。 第四章主要对m a c 层算法a c s s 和m a c 层评测指标集做了介绍，并给出了 a c s s 算法的c + + 代码实现。 第五章给出了仿真平台普适指标的测试结果，以及a c s s 算法各种指标下的 测试结果。 第六章是结果和展望。介绍了当前完成的工作并给出了本平台下m a c 层普适 指标和a c s s 算法的测试结果。并对进一步的研究方向做出了展望。 6 2 认知无线电m a c 层关键技术与协议 认知无线电技术致力于解决现有可用频率稀缺问题，它能够对某时某地出现 的频谱空穴进行检测和伺机接入和传输，并确保不干扰到此段频谱的授权用户1 8 】。 这就需要认知无线电技术除了具有传统的健壮数据传递和媒体接入控制以外，还 具备检测各个可用信道的质量、动态地改变频谱分配方案、功率控制和频谱管理 等具体功能，而这些功能是以往经典的m a c 层协议或平台所不具备的。因此，人 们逐渐开始深入的研究认知无线电m a c 层技术，它负责：1 ) 决定最优的感知方法 和感知、传输时间；2 ) 协调和其他c r 用户的频谱共享，确保不超过授权用户的 最大干扰温度；3 ) 及时、准确的功率控制和频谱( 信道) 切换即频谱管理。下文分 别予以探讨。另外，本文对几个较有影响的认知无线电集中式m a c 层协议也一一 做了比较和分析。 2 1 m a c 层频谱感知管理 由于认知无线电的首要工作是检测频谱空穴，因此频谱感知技术是认知无线 电技术的重中之重。频谱感知技术主要集中在物理层，主要分类有能量检测、特 征检测和分布式协作感知等。 m a c 层频谱检测管理主要是针对物理层频谱感知算法的策略和参数进行合适 的选取和优化，并控制感知算法的执行。这些策略和参数包括选择何种检测模式、 设置检测周期和检测时长、分布式感知的感知调度策略等等。 在认知无线电频谱检测机制中，根据频谱需求的不同，检测模式可以分为主 动检测和被动检测。主动检测也称周期检测，是指c r 用户周期性的对外界无线电 环境进行检测。被动检测是指在仅在需要可用频谱时才进行频谱检测，也称按需 检测。主动检测的优点是可以周期性地获取信道状态信息，有利于建立频谱空闲 时间模型。被动检测的优点是节省检测开销，不用周期性静默，从而延长c r 用户 通信时间，提高了通信效率。 另外，在主动检测中，检测周期是否合适对c r 系统的性能有着重要的影响。 如果检测周期过长，一方面很可能错失在这段时间之内出现的频谱空穴，另一方 面也有可能因没有及时发现授权用户出现而对其产生干扰；如果检测周期过短， 又会浪费本来就有限的能量，过多的静默时间也会使c r 用户之间的通信时间进行 不必要的延长。 检测时长是主动检测的另一个非常重要的参数。本质上，它是检测质量和频 7 谱利用率进行折中的结果。检测时长设置过大，一方面会使检测质量得到提高， 另一方面则会导致c r 通信时间过短，降低频谱利用效率；检测时长设置过小，一 方面导致检测质量下降，另一方面可以提高频谱的利用效率。因此，检测时长的 设置，需要对频谱检测质量要求和频谱利用率要求综合考虑。 分布式感知是频谱感知技术的一种，是指在某个时刻，分布于c r 小区各个地 方的c r 用户对某一或某些信道进行检测。主要是为了抵抗多径衰落和阴影衰落带 来的单一检测器性能下降。分布式感知可以提高整体c r 网络频谱感知的有效性和 可靠性，从而降低对单个检测器的苛刻要求。 几个或者所有的c r 检测用户都处于深衰落的概率非常低，因此分布式感知策 略有着极强的优势。单个c r 用户将感知结果交予簇节点或者基站节点进行数据融 合。分布式感知常用的融合方法是“a n d ”准则、“o r ”准则或者“ko u to f n ” 准则。c r 检测节点的分布策略需要考虑两个方面：第一是给某个信道分配多少个 c r 检测节点；第二是这些检测节点是如何分布的。通常第一个问题需要根据该待 检测信道的能量值来考虑。第二个问题则需要考虑检测节点是否处于深衰落或阴 影衰落之中。 2 2动态频谱共享 动态频谱共享的主要目的是通过一个自适应、动态地策略适应外界无线电频 谱环境的变化，并通过这些策略适当地进行数据接入，从而有效地利用频谱资源。 由于频谱资源有限，c r 用户之间就必须要竞争地使用这些资源。不同c r 用户的 优先级、q o s 需求各不相同，所以c rm a c 层需要在保证优先级高的用户先得到 接入服务的同时，也要保证频谱资源不被这些用户独占。总之，c r 网络需要公平 而有效的管理、共享空闲频谱资源。 2 2 1 研究方向及分类 1 从网络结构上看 频谱共享可以分为集中式和分布式。集中式网络由集中控制节点负责频谱的 分配和接入过程，网络中的每个c r 检测节点都把自己探测感知的频谱信息汇聚到 集中控制单元，由控制单元绘制出频谱分配的映射图。分布式网络结构下则通过 各节点自身或者局部协商获取资源【9 】。 2 从用户行为上看 频谱共享可以分为协作式和非协作式。协作式下各节点需要和周围节点进行 8 信息交互，决策经过协商得出。非协作式下各节点根据自己的信息和策略进行频 谱资源管理和选择【l o 】【l l 】。 3 从接入方式上看 分为u n d e r l a y 和o v e r l a y 两种，可以产生三种方案。第一种是基于u 1 1 d e d a y 的 扩展频谱技术，要求认知无线电用户把传输功率扩展到全频带上，如c d m a 和 u w b ；第二种是避免干扰的o v e r l a y 方案，要求认知无线电用户选择对主用户干扰 最小的射频带进行通信；第三种是一种混合方案，即避免干扰的基于u 1 1 d e r l a y 的 扩展频谱方案，除了要求认知无线电用户把传输功率扩展到全频带外，还要求在 主用户传输的频带上无能量分配或者能量最低【l 到。 2 2 2 常用共享模型 频谱共享方案的核心是设计出一个高效公平的分配算法。从认知无线电技术 1 9 9 9 年提出至今的研究中，研究者们主要把信道分配问题建立了几种常用模型， 并利用这些模型理论，给信道分配算法提供若干良好的解决方案。 1 图论着色模型 把每个信道映射成一种颜色，所有信道就组成了一个颜色集合c ，信道的分配 过程就可用图着色理论建模。认知网络系统可以表示成冲突图g ，e ，l ) ，v 是 一组顶点，表示分享频谱的所有认知用户集合，边e 表示信道分配冲突的关联矩 阵，有没有边反映两用户信道分配满不满足干扰限制，是否需要分配不同颜色。l 是可用信道状态矩阵，表示某一用户是否可以使用某一信道l l 引。 2 博弈论模型 认知用户是一个自治的智能代理，他们对频谱的选择利用是一个互相影响互 相交互的过程，运用博奔论建立一个数学模型来研究他们之间的关系是是非常合 适的。因此，当前该方面的研究多倾向于采用博弈理论。用博弈论建模频谱分配 算法的基本操作是，在模型中每个认知用户是一个博弈的参与者，他们选择自己 的发射功率，信道等参数，这些参数的选择不仅影响到自己，也影响其他认知用 户的选择。整个频谱分配就是这个博弈的一个结果1 1 4 1 。 3 竞价模型 近年来，基于微观经济学的无线电资源分配机制( 如拍卖、标价、合同) 已经被 关注，而且已经被证明是认知无线电网络频谱分配问题的一种有效解决方法u5 1 。 在这种基于拍卖的频谱分配模型中，即可以在小区内以基站作为拍卖方，小 区内认知用户作为投标者【16 】；又可以在多个小区共存的环境中，以授权系统【1 7 域 是获得资源较多的认知小区作为拍卖方，其他认知小区作为投标者的方式进行。 9 在一个拍卖轮回中，每个投标者为了满足自身的需要给频谱资源投多个价，而不 是为每个资源各自投标。由拍卖人确定“赢家决策”，可以最大化拍卖方的收益， 提高系统效率。与其他的分配机制相比，基于投标竞价的机制最显著的优势是它 被自然地分散和需要很少的信令交换以及计算开销。 2 3功率控制与频谱切换 认知无线电技术应用的前提是不对授权用户造成干扰。考虑授权用户和c r 用 户在同一个频段上共存时，c r 用户必须保证发射功率在授权用户信干比( s i 酆山t o i i l t e 疵r e n c ep l u sn o i s er a t i o ，s i n r ) 允许的范围内。因此，c r 用户需要根据授权用 户可容忍的干扰容限进行严格的功率控制，从而避免影响到用户的正常通信【l 引。 授权用户出现时的另一种处理方式是频谱切换，即授权用户出现时，正在使用此 信道的c r 用户必须立即撤出该信道，以免对授权用户造成干扰。 首先考虑授权用户和c r 用户共享频谱时，文献f l9 】提出了一种方法，即将检 测到的授权用户的本地信噪比近似为c r 用户与授权用户之间的距离，以此来调整 c r 用户的发射功率。文献【2 0 】提出的另一种更智能的功率控制方法，该方法将对策 论和遗传算法结合，即采用两用户重复对策理论建模，借助遗传算法来搜索策略 空间【2 1 】。 授权用户出现时的c r 网络的另一种处理方式是频谱切换。频谱移动管理模块 将当前工作频率跳转，维持用户通信并实现无缝切换。在切换中不同层的协议必 须快速适应新的工作频率的信道参数，并且对用户来讲应当是透明的。当认知用 户改变工作频率的时候，网络协议将从一种工作状态变换成另外一种，频谱移动 管理的目的就是使网络状态变化尽快的平滑进行，确保在频谱切换中最大限度的 降低认知用户的业务性能损失。 频谱切换主要包括三个过程：频谱切换初始化、频谱切换决策和频谱切换执 行。频谱切换初始化就是初步搜索可以利用的频谱资源。频谱切换决策就是对可 用频谱资源进行估计，选择此神情况下最优的频谱资源，最后通过频谱切换执行 过程进行切换操作瞄j 。 2 4集中式凇c 层协议 根据网络结构的不同，m a c 层协议分为随机接入协议、时隙划分协议和混合 式协议。每种协议都可分为集中式和分布式两种。如图2 1 所示。 1 0 图2 1m a c 层协议分类 f i g u r e2 11 卯eo f m a cl a y e rp r o t o c o l 随机接入m a c 协议不需要时间同步，使用带有冲突避免的载波侦听多路访问 ( c s m a ，c a ) 。c r 用户通过监听频带来检测是否有信号传输，如果没有，就会执行 退避算法，然后发送数据。时隙接入m a c 协议的控制信道和传输信道的时间会被 分为很多时隙，c r 控制信息或者数据传输信息分时隙接入。通信需要进行网络同 步。混合式m a c 协议只有部分信号使用时隙传输，比如控制信号，其他数据信息 则采用随机接入的方式。 由于时间和精力所限，本文主要涉及集中式接入协议，所以在此对集中式接 入协议进行大体介绍和分析。这种类型的m a c 协议需要一个基站来管理网络活 动，保持同步和协调节点之间的通信。基站一般是静止的，并和它覆盖下各个c r 用户单跳连接。这种结构有利于合理的协调各个c r 用户的感知任务，也有利于进 行合理地频谱决策。下面我们就图2 1 所示的三种m a c 层协议的集中式网络架构 进行展开说明。 2 - 4 1 随机接入协议 文献四】提出了一种基于冲突避免的载波侦听多路访问( c 枷e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s 晰t l lc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m c a ) 的协议。该协议通过限制c r 用户的发 射功率和数据传输速率确保了c r 用户和授权用户的共存。授权用户的基站和c r 用户的基站相互独立。无论是c r 用户还是授权用户，都分别和各自的基站单跳连 接。协议允许授权用户和c r 用户同时进行通信，前提是c r 用户必须将对授权用 户的干扰限定在一定的门限之内。协议的工作流程如下：基本的网络通信遵循 c s m a ，授权用户在发送i 盯s ( r e q u e s t t 0s e n d ) 给基站之前以周期s p 执行载波侦听。 如果授权用户空闲的话，基站会发回c t s ( c l e a rt os e n d ) 。但是c r 用户执行更长 时间的载波侦听( s 。，s 。s p ) 。因此，授权用户的频谱接入优先级较c r 用户高。c r 基站还会考虑：i ) c r 用户和c r 基站的距离；i i ) 噪声功率等因素来确定c r 用户 的传输参数，比如传输功率和数据速率。在协调过程中，c r 用户在一轮之内只允 许发送一个数据包，以减少对授权用户干扰的可能性。 c r 用户和授权用户的共存十分重要。因此，文献【2 3 】假定c r 网络和授权用户 网络必须进行有必要的互动。如果没有授权用户基站的及时反馈，c r 基站和用户 根本无法得知授权用户是否收到强烈干扰甚至传输失败。 但是，该协议也有不足之处。其一，c r 用户的发射功率只有高低之分，无法 在所有可能的情况下可靠地保证授权用户的有效通信。其二，该协议没有明确地 指定发射功率，编码方式，传输速率等。 2 4 2 基于时隙式协议 i e e e8 0 2 2 2 是基站型频谱接入和频谱共享【5 】【6 】的一个统一的标准，由i e e e 8 0 2 2 2 工作组领导。基站管理自己小区的所有用户设备和接入本基站的c r 用户。 下行方向，8 0 2 2 2m a c 使用时分复用，而上行方向使用指定命令的时分复用接入 技术。 i e e e8 0 2 2 2 标准的关键特性有三：i ) 对频谱感知的广泛支持；i i ) 通信恢复； i i i ) 不同用户共存。 i e e e8 0 2 2 2 的感知过程分为两步：第一步，粗感知。主要特点是精度低，耗 时少。粗感知以1 m s 信道的速度来感知信道，感知的主要目的是判别信道是否需 要第二步细感知。细感知性能优异但比粗感知要耗费很多时间。 当c r 用户感知到授权用户，i e e e 协议的i d m p 模块就会及时切换频谱并最 大限度的保证c r 用户的性能不会严重下降。 c r 网络的内部共存主要靠共存信标协议( c o e x i s t e n c eb e a c o np r o t o c o l ，c b p ) f 6 】 实现。c r 网络可能由许多基站组成，每个基站都必须根据其他基站情形来修正自 己的传输参数，这就要求各个基站之间要有大量的通讯，c b p 可以实现这些功能。 c b p 中的信标携带诸如蜂窝信息、上下行带宽分配等信息。c b p 包在自共存窗口 即一段特殊的时隙里传输。 2 - 4 3 混合式协议 文献【2 5 1 提出了一种博弈式动态频谱接入算法。数据在预先定义好的时隙里传 送，而控制信号使用随机的方法接入频谱，因此称之为混合式协议。此外，该协 1 2 议基于c r 用户簇，即每个簇中的博弈算法由用户簇中的中心节点管理。协议具有 很高的频谱利用率，提供冲突避免式地频谱接入和有效的q o s 和公平性保证。 协议由四部分组成：i ) d s a 算法；i i ) 簇算法；i i i ) 协商机制；i v ) 冲突避免机制。 博弈式的d s a 算法通过寻找纳什均衡点的方式追求全局优化。博弈效用函数由两 部分组成：博弈者因博弈策略所得收益或惩罚和博弈者因博弈策略付给其他节点 的代价。当一个节点接入网络时，它可以根据簇中心的距离是否最小来独立选择 用户簇接入。在接入用户簇之后，此节点用最大的功率广播它的身份和所属簇的 i d 。这样其他簇中的其他的节点都可以知晓拓扑的变化。协商机制通过控制信道 实现，通常由两个步骤组成：i ) 询问阶段和i i ) 正式协商阶段。询问阶段的目的是识 别欲通信节点的信息。此阶段过后，有通信需求的节点会成为正式协商阶段的准 博弈者并开始博弈。冲突避免机制是为了避免不同簇间协商阶段时发生碰撞。 但是，该协议也有几个缺点。首先，达到纳什均衡的时间可能会很长。其次， 协议没有提供感知支持而仅仅假设信道都可以接入，这种情况下，感知所需要的 无线电静默可能无法满足。再次，随着博弈节点的增加，时延的不可测量性也在 增加。最后，该协议维持同步和保持严格的冲撞避免十分困难，这都有可能引起 性能的下降。 3 认知无线电m a c 层仿真平台设计与实现 3 1仿真软件的选择与n s 2 简介 在传统的系统级网络仿真软件中，n s 2 和o n 厄t 最为出名，也最受科研人员 和商业机构的推崇。下面对二者进行简要说明。 n s 2 是指n 咖o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ，是l i n u ) 【环境下的一种开放源码的、 面向对象的、离散事件驱动的网络环境模拟器，主要用于解决网络研究方面的问 题，由加州大学伯克利分校开发并维护。n s 2 提供了在无线或有线网络上的t c p 、 路由、多播等多种协议的模拟。它是一个面向对象的网络模拟工具，可以完整地 模拟整个网络环境。n s 2 使用一整套c + + 类库实现了绝大多数常见的网络协议以 及链路层的模型，利用这些类的实例就可以搭建起整个网络的模型，而且包括其 详尽的细节实现。而且，n s 2 为各个网络层次的不同协议提供了接口，这对仿真 非常重要。n s 2 还提供了许多无线电模型，如8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 5 3 ，8 0 2 1 5 4 ， 用户可以使用这些模型来做认知无线电认知网络的仿真1 2 6 1 。所以，n s 2 成了目前 学术界广泛使用的一种网络模拟软件。在每年国内外发表的有关网络技术的学术 论文中，利用n s 2 给出模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果也是 被学术界所普遍认可的，此外，n s 2 也可作为一种辅助教学的工具，已被广泛应 用在了网络技术的教学方面。目前在学术界和教育界，有大量的人正在使用或试 图使用n s 2 。 n s 2 的缺点是对初学者来说难于掌握，一般从学习n s 到上手至少需要半年多 时间。原因是多方面的：一方面，n s 内容庞杂，随软件所提供的手册更新不够快， 初学者阅读起来非常困难；另一方面，使用n s 还要掌握其它很多必备的相关知识 以及相关工具( 如下面用到的g 绷，k 、g n u p l o t 等) ，这会使初学者感到无从入手；有 的使用者可能还不了解网络模拟的过程或是对n s 软件的机制缺乏理解，这也影响 了对n s 的掌握；另外，不论在国外还是国内，还没有一本书能集中回答和解决这 些问题，这也是n s 难于被掌握的一个重要原因。 o p n e t 是由o p n e t1 e c l l l l o l o g ) ，公司开发的一款商用网络性能仿真软件。它 提供了网络性能优化工具，使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。 o p n e t 具有下面的突出特点，使其能够满足大型复杂网络的仿真需要：它提供三 层建模机制。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网 络的相关特性；它提供了一个比较齐全的基本模型库，采用离散事件驱动的模拟 1 4 机理和混合建模机制，具有丰富的统计量收集和分析功能。它还提供了和网管系 统、流量监测系统的接口【27 1 。 o p n e t 的缺点主要有两个方面。一方面，由于o p n e t 是款商用软件，源码 不开放且价格极其昂贵，o n 咂t 的使用者授权费就超过2 万5 千美金。因此不利 用高校科研人员、学者等非商业性质的研究者使用；另一方面，当仿真网络规模 和流量很大时，仿真的效率会降低。而且软件所提供的模型库是有限的，所以某 些特殊网络设备的建模必须依靠节点和过程层次的编程方能实现。涉及底层编程 的网元建模具有较高的技术难度，因为需要对协议和标准及其实现的细节有深入 的了解，并掌握网络仿真软件复杂的建模机理。一般需要经过专门培训的专业技 术人员才能完成。编程的难度限制了o p n e t 的普及与推广。 本课题需要的认知无线电仿真平台必须要易于扩展，易于实现。另外，源码 开放也有利于收集资料和解决问题。因此，综合考虑，n s 2 网络模拟器作为仿真 软件是最有利的选择。 3 1 1n s 2 原理和仿真步骤 n s 2 是一个离散事件驱动模拟器。在一个网络模拟器中，典型的时间包括分 组到达、时钟超时等，模拟时钟的推进由事件发生的时间量决定。模拟处理过程 的速率不直接对应着实际时间，它所做的只是不停的处理一个个事件，直到所有 图3 1n s 2 构件厍( 部分) f i g u r e3 1n s 2 sm o d e ll i b i i a i y ( p a r t l y ) 的事件都被处理完，仿真就运行结束，这就是离散事件驱动的本质。因此，n s 2 的核心是一个离散事件模拟引擎，或者叫调度器( s c h e d u l e r ) 。 n s 2 受广大科研人员喜爱的另一个原因是它有一个丰富的构件库。有了这个 构件库，用户可以完成自己所要研究的系统的建模工作。n s 2 的构架库所支持的 网络类型包括广域网、局域网、移动通信网、卫星通信网等，所支持的路由方式 包括层次路由、动态路由、多播