（通信与信息系统专业论文）认知无线电网络多信道mac协议及仿真平台设计研究.pdf

摘要 摘要 近来，认知无线电被认为是无线通信的“下一个大事件 ，它能有效地使用利 用率较低的授权频谱资源，从而提高频谱使用率以解决无线电频谱资源紧缺的问 题。认知无线电技术研究的重要内容包括如何感知授权频段的使用情况，如何有 效地利用授权网络的空闲频谱资源，如何让认知无线电网络高效工作等。本文内 容主要针对认知无线电研究的两个相关方向：多信道m a c 协议和仿真平台设计。 认知无线电网络中，多信道m a c 协议可以解决多个用户共享多个频段的问 题。本论文在第二章中，首先对传统无线网络多信道m a c 协议进行了分类比较， 分析了各种类型协议的优缺点；进而结合认知无线电网络的特性，提出了认知无 线网络中多信道m a c 协议设计的难点；通过对现有研究中典型的多信道m a c 协议的分析，进一步提出下一步研究方向。 在此基础上，第三章，本论文提出了一种新的分布式认知无线电网络多信道 m a c 协议，并对该协议的系统模型、设计流程和性能做了详细的介绍和分析。 该协议基于专用控制信道，能够有效地解决隐藏终端、暴露终端和多信道隐藏终 端等问题。而针对专用控制信道瓶颈问题，本文给出了一种有效的估计方法，可 有效减少控制信道的瓶颈对网络吞吐量的影响。该m a c 协议采用了一种信道、 功率、速率自适应的分配方式，通过仿真证明，此算法能够有效地提高认知用户 系统网络吞吐量，减小丢包率、数据包平均延迟时间和平均每比特消耗能量。 仿真平台设计也是认知无线电网络研究的基础性工作之一，优秀的仿真平台 可大大提高研究的有效性和正确性。第四章，本论文简单介绍了分级频谱共享网 络，设计了一个应用于分级频谱共享网络的仿真平台，详细分析了该仿真平台的 设计思想和主要模块的功能及仿真场景、仿真流程。通过一个仿真实例证明，该 仿真平台在一定程度上能满足分级频谱共享网络的算法、协议仿真需求，能够衡 量分级频谱共享网络的性能，其中的一些功能模块也具有典型性。 第五章，对本论文做出总结，并提出了下一步研究建议。 关键词：认知无线电，多信道m a c 协议，分级频谱共享网络，仿真平台 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , c o g n i t i v er a d i o ( c r ) ，w h i c hi sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yt of u l l ye x p l o i t t h eu n d e r - u t i l i z e dl i c e n s e ds p e c t r u mr e s o u r c e ，i sc o n s i d e r e da s “t h en e x tb i gb a n g i n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c rc a ni m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o na n ds o l v et h e p r o b l e mo fs c a r c i t yo ft h er a d i os p e c t r u mr e s o u r c e h o wt os e n s el i c e n s e ds p e c t r u m ? h o wt oe f f e c t i v e l yu s et h ei d l es p e c t r u mo fl i c e n s e dn e t w o r k ? h o wt om a k ec o g n i t i v e r a d i on e t w o r kt ow o r ke f f i c i e n t l y 7 t h e s ei s s u e sa r ei m p o r t a n tt ot h es t u d yo fc o g n i t i v e r a d i ot e c h n o l o g y t h i sp a p e rm a i n l ya i m e da tt w or e l a t e dc o g n i t i v er a d i or e s e a r c h d i r e c t i o n ：m u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o la n ds i m u l a t i o np l a t f o r m i nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，m u l t i c h a n n e lm a c p r o t o c o lc a ns o l v et h ep r o b l e mo f t h em u l t i p l eu s e r st os h a r em u l t i p l es p e c t r u mb a n d s i nc h a p t e r2 ，f i r s t l y , t r a d i t i o n a l m u l t i 。c h a n n e lm a c p r o t o c o l si nw i r e l e s sn e t w o r ka r ec l a s s i f i e da n dc o m p a r e d t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n tt y p e so fp r o t o c 0 1 c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，d i f f i c u l t i e so fd e s i g n i n g m u l t i 。c h a n n e lm a cp r o t o c o li nc o g n i t i v er a d i on e t w o r ka r ep r o p o s e d t h r o u g ht h e a n a l y s i so fe x i s t i n gt y p i c a lr e s e a r c h e si nm u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o l ，t h ed i r e c t i o n so f f u t u r ew o r ka r ep r o p o s e d i nt h i sp a p e r , an o v e lm u l t i c h a n n e lm a c p r o t o c o li nc o g n i t i v er a d i on e t w o r ki s p r o p o s e di nc h a p t e r3 s y s t e mm o d e l ，d e s i g nf l o wa n dp e r f o r m a n c eo ft h i sp r o t o c o la r e i n t r o d u c e da n da n a l y z e d t h i sp r o t o c o l ，b a s e do nd e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e lp r o t o c o l ， c a ns o l v et h ep r o b l e mo fh i d d e nt e r m i n a l e x p o s e dt e r m i n a la n dm u l t i c h a n n e lh i d d e n t e r m i n a l a ne f f e c t i v e l ye s t i m a t i o nm e t h o df o rt h eb o t t l e n e c kp r o b l e mo fd e d i c a t e d c o n t r o lc h a n n e lp r o t o c o li sp r o p o s e d ，w h i c hc a nb ee f f e c t i v ei nr e d u c i n gt h ei m p a c to f n e t w o r kt h r o u g h p u tb e c a u s eo fb o t t l e n e c ko fd e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e l t h ep r o t o c o l u s e sac h a n n e l ，p o w e ra n dr a t ea d a p t i v ea l g o r i t h m t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i s a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h r o u g h p u to fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，r e d u c ep a c k e t l o s sr a t e ，p a c k e ta v e r a g ed e l a yt i m ea n da v e r a g ee n e r g yc o n s u m p t i o n p e rb i t s i m u l a t i o np l a t f o r mi sa l s oo n eo ff u n d a m e n t a lw o r ko fc rr e s e a r c h e x c e l l e n t s i m u l a t i o np l a t f o r mc a ng r e a t l ye n h a n c et h ee f f e c t i v e n e s sa n dc o r r e c t n e s so ft h e i i a b s t r a c t r e s e a r c h i nc h a p t e r4 ，t h i sp a p e rb r i e f l yd e s c r i b e st h eh i e r a r c h i c a l s p e c t r u ms h a r i n g n e t w o r k ( h s s n ) a n dd e s i g n sas i m p l es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rh s s n t h ed e s i g ni d e a ， s i m u l a t i o ns c e n a r i o s ，s i m u l a t i o np r o c e s sa n df u n c t i o n so fm a i nm o d u l e sa r ei n t r o d u c e s i nt h i sa r t i c l e as i m u l a t i o ne x a m p l es h o w st h a tt h i sp l a t f o r mc a n b a s i c a l l ym e e tt h e s i m u l a t i o nn e e d so fa l g o r i t h m sa n dp r o t o c o l so fh s s na n db ea b l et om e a s u r et h e p e r f o r m a n c eo fh s s n ，s o m ef u n c t i o nm o d u l e sa r ea l s ot y p i c a l i nc h a p t e r5 ，im a k eas u m m a r yo ft h i sp a p e ra n dt h en e x ts t e pr e s e a r c hp r o p o s a l s a r ei n t r o d u c e d k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，m u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o l ，h s s n ，s i m u l a t i o np l a t f o r m i i i 图目录 图目录 图2 1 隐藏终端与暴露终端8 图2 。2 专用控制信道协议。9 图2 3 共同跳频协议9 图2 - 4 分阶段协议。 图2 5 多信道交互协议实例1 1 图2 6 认知用户在不同频带的最大发射功率1 4 图2 7c r e a m m a c 协议描述1 5 图2 8h c m a c 协议描述1 6 图2 9 基于p o m d p 的分布式m a c 协议1 7 图3 1 专用控制信道竞争2 3 图3 2r t s 帧格式2 3 图3 3w t s 帧格式2 3 图3 - 4c t s 帧格式2 4 图3 5s t s 帧格式2 4 图3 6 控制信息交互流程。2 4 图3 7 控制信道隐藏终端。2 5 图3 8 认知用户数据传输范围2 9 图3 - 9 最优控制信道传输速率与数据信道平均传输速率2 9 图3 1 0 网络平均吞吐量与包产生率3 2 图3 。1 1 丢包率与包产生率3 3 图3 1 2 重传率( s n r ) 与包产生率 图3 1 3 重传率( 与主用户冲突) 与包产生率3 4 图3 1 4 包平均延迟与包产生率3 5 图3 1 5 平均能量消耗与包产生率3 5 图4 1h s s n 网络架构示意图3 8 图4 2 分级频谱共享网络仿真场景示意图4 0 图4 3 分级频谱共享网络仿真平台架构4 1 图4 4 分级频谱共享网络仿真平台仿真流程。 v i 4 1 图目录 图4 5 认知用户一个同步周期的时隙划分4 2 图4 6 能量检测检测概率4 8 图4 7 数据包收发模拟模块结构4 8 图4 8 网络平均吞吐量与主用户活动因子4 9 图4 9 网络误包率5 0 图4 1 0 与主用户冲突率5 1 v 表目录 表目录 表2 - 1 传统无线网络多信道m a c 协议的比较1 2 表3 - 1m c s 2 7 表3 2 主用户系统参数3 0 表3 3 认知用户系统参数3 l 表4 1 主用户系统参数4 5 表4 2 认知用户系统参数。4 6 表4 3 认知用户传输参数4 6 表4 - 4 认知用户业务源参数4 6 v i 缩略词表 m a c 3 g i 肿 f d m a t d m a c d m a w p a n i s m f c c i e e e g p r s e d g e h s d p a c s m a c a w l a n f t p v o i p 0 f d m s n r 奎涮g n c r c r u p u a c k p o m d p 缩略词表 m e d i aa c c e s sc o n t r o l 3 r d g e n e r a t i o n u l t r a 一五d e b a n d f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s l z n g l n e e r s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e e n h a n c e dd a t a r a t ef o rg s me v o l u t i o n h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e w i r e l e s sl o c a ia r e an e t w o r k s f i l et r a n s f e rp r o t o c o l v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g s i g n a lt on o i s e r a t i o a d d i t i v e 场i t eo a u s s i a nn o i s e c o g n i t i v er a d i o c o g n i t i v er a d i ou s e r p r i m a r yu s e r a c k n o w l e d g ec h a r a c t e r p a r t i a l l y o b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o n 介质访问控制 第三代移动通信技术 超宽带 频分多址 时分多址 码分多址 无线个人局域网 工业、科学、医学 美国联邦通信委员会 美国电气和电子工程 师协会 通用分组无线服务 增强型数据速率g s m 演进 高速下行分组接入 带冲突避免的载波侦 听多路接入 无线局域网 文件传输协议 因特网语音协议 正交频分复用 信噪比 加性白高斯噪声 认知无线电 认知用户 主用户 确认字符 部分观测马尔科夫决 缩略词表 q o s d c f n 心。 d i f s s i f s m c s p r o c e s s q u a l i t yo fs e r v i c e d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r d c fi n t e r f r a r n es p a c i n g s h o r ti n t e r f r a m es p a c i n g m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e x 定过程 服务质量 分布式协调功能 网络分配矢量 d c f 帧间间隔 短帧间间隔 调制编码表 符号表 符号类别 变量 矢量 求最大值 求最小值 向下取整 示例 口 a m a x m l n f 符号表 x i 字体和说明 小写斜体 小写粗体 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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：上a 雌日期：如o 年月日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：料导师签名 e t 期： 如2 口年6 月 1 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 从第一代移动通信电话到第三代移动通信技术( 3 g ) 的广泛应用，从f d m a 、 t d m a 到c d m a 和u w b 技术，日新月异的无线通信技术让我们应接不暇。目前， 随着w l a n 与w p a n 等技术的飞速发展，它们所占用的非授权频带( 如i s m 频 段) 已日趋饱和。而另一方面，一些占用授权频段的网络的频谱利用率无论是从 空间上还是时间上看都很低【1 】【2 】，如电视广播网络。但是，大部分的无线电频谱资 源都是分给了授权网络，这种固定的频谱分配方式，从目前的情况来看，限制了 频谱利用率的提高。 对于某些网络来说，为了解决频谱匮乏的问题，其基本的目标就是要提高频 谱利用率，在这样的背景下，认知无线电技术应运而生。认知无线电技术的基本 思想是：认知用户没有频谱的使用权，而是“借用 网络目前没有使用的频谱资 源，并合理利用，保证不对授权用户造成有害的干扰。 本章首先对认知无线电基本概念和研究背景做简要的介绍；针对本文的研究 内容，着重介绍认知无线电网络及其m a c 协议和仿真平台设计的研究背景和意 义；最后对本文研究内容做出概要性的简述。 1 2 认知无线电研究背景及意义 认知无线电技术已成为目前学术界研究的热点领域之一。众多学者对其展开 了广泛而深入的研究，涉及到众多的关键技术，从物理层的频谱感知技术和传输 技术到网络层的认知路由技术，不同层次的跨层设计，及认知无线电网络的架构 设计等。本节对认知无线电技术的研究背景做出简要的说明。 1 2 1 认知无线电概述 认知无线电技术起源于1 9 9 9 年“软件无线电之父”j o s e p hm i t o l ai i i 博士的奠 基性工作【3 1 ，核心思想是认知无线电具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感 知并利用在该空间内的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。随着认知无线电相 电子科技大学硕士学位论文 关研究的展开，对认知无线电技术存在多种不同的认识。最典型的一类是围绕 m i t o l a 博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调 软件定义无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 是认知无线电实现的理想平台。 在对认知无线电的众多描述中，f c c 提出了一种简要且被业界广泛接受的定 义。f c c 更确切地把认知无线电定义为“基于与操作环境的交互，能动态改变其 发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能”。认知无线电 是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用 户( 主用户) 的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过 程中不给授权用户带来有害干扰。 近年来，国内外对认知无线电的主要研究包括有：德国k a r l s r u h e 大学提出的 频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 系统；美国加州大学b e r k e l e y 分校研究的c o r v u s ( a c o g n i t i v er a d i oa p p r o a c hf o ru s a g eo f v i r t u a lu n l i c e n s e ds p e c t r u m ) 系统；微软亚洲 研究院与美国3 口4 , j , i 大学s a n t ab a r b a r a 分校研究的n a u t i l u s 项目；美国国防部高级 研究计划署( d e f e n c e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t a g e n c y , d a r p a ) 资助的下一代无 线通信( n e x tg e n e r a t i o n , x g ) 项目；欧盟的e 3 ( e n d 。t o e n de f f i c i e n c y ) 项目； 美国罗格斯大学的研究项目“开放频率使用的认知无线电 和“认知无线电平台”； 中国电子科技大学分级频谱共享网络( h s s n ) 项目等。 1 2 2 认知无线电网络概述 认知无线电技术，在研究初期主要集中在物理层和m a c 层中，不过随着研究 的深入，认知无线电网络越来越受到业界的关注。认知无线电网络可广义的定义 为，网络节点具有认知功能的网络，各个认知节点通过合作和竞争的方式共享频 谱资源，以合理分配无线网络资源，进一步提高频谱利用率。认知无线电网络研 究主要集中在两个方面，一是网络架构设计的研究，二是网络每个层次关键技术 的研究。 1 2 2 1 网络架构研究 按照网络架构，可将认知无线电网络分为三类，集中式网络、分布式网络与 混合式网络。 最具代表性的集中式认知无线电网络就是i e e e8 0 2 2 2 网络【4 】。集中式认知网 络的特点是所有节点服从中心基站的调度和控制，其网络拓扑简单、控制方便、 易于建网，传输时延及误差都较小。但是其可靠性差，且建网成本较高。 2 第一章绪论 分布式认知网络的特点是没有中心控制机制，网络中节点通过协调和竞争的 机制共享本地剩余频谱资源，建网快速且成本低廉，网络不易瘫痪，但是传输延 迟及误差都较大，资源分配复杂。 混合式网络架构是前两种网络的一个折中方法，文献【5 中提出的h s s n 网络 就是其中的代表，在保证认知网络性能的同时，能够更进步的提高本地频谱资 源的利用率。 1 2 2 2 关键技术研究 以下分层介绍认知无线电网络的关键技术： ( 1 ) 物理层，频谱感知是认知网络物理层最为重要的关键技术，因为如何发现 可以利用的本地空闲频谱是认知无线电网络其他关键技术的根本，此外， 认知网络中的数据传输技术也是研究的热点之一； ( 2 ) m a c 层，分组调度、频谱分配、m a c 协议及功率分配等都是需要研究的 关键技术，值得注意的是，由于认知无线电网络可用频谱资源的动态性， 频谱切换技术也是认知网络的重要研究内容； ( 3 ) 网络层，在分布式认知无线电网络中，分布式路由问题是非常重要且复杂 的问题，也是目前研究值得开拓的领域之一； ( 4 ) 传输层，目前认知无线网络的研究基本没有覆盖到这一领域，但是注意到 无线t c p 、u d p 协议不能直接应用到认知无线网络中，因此，传输层上 依然有值得研究的问题； ( 5 ) 跨层设计，由于可用频谱的动态性，频谱切换、路由等算法( 协议) 可能 在多个层次中实现。 1 2 3 认知无线电网络多信道m a c 协议研究 m a c 协议位于o s i 七层协议中的数据链路层，数据链路层分为逻辑链路控制 子层和媒体访问控制子层，m a c 协议主要负责控制与连接物理层的物理介质。在 发送数据的时候，m a c 协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给 数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层； 在接收数据的时候，m a c 协议首先判断输入的信息是否发生传输错误，如果没有 错误，则去掉控制信息发送至逻辑链路控制层。多信道m a c 协议通常是指网络中 用户共享多条信道时的m a c 协议。 认知无线电网络m a c 协议设计是认知无线电技术研究中的重要内容和难点 3 电子科技大学硕士学位论文 之一，它不同于传统网络的多信道m a c 协议，独有的特性对其设计提出了更高的 要求。认知网络多信道m a c 协议一直是学术界研究的热点之一，众多学者提出了 大量的m a c 协议【6 】_ 【2 2 1 。下一章，将针对认知无线网络m a c 协议，特别是多信道 m a c 协议的研究进行详细的分析和介绍。 1 2 4 认知无线电网络仿真平台设计研究 仿真平台设计是无线网络研究中一项重要内容，大量已经存在的无线网路算 法和协议研究是通过仿真来验证的。通过仿真平台，不仅可以验证某一层( 如网 络层等) 算法性能，也可以衡量整个网络的性能( 如吞吐量等) 。一个优秀的网络 仿真平台往往能够使算法、协议的验证变得更为方便，同时还能指导进一步的研 究工作。 仿真平台设计需满足通用性、灵活性及易用性的要求。通用性是指该仿真平 台能验证网络各个层次的相关算法和协议；灵活性是指仿真平台的设计应该模块 化，各个功能模块相对独立并且有明确的接口，方便实现新的功能且新的功能模 块能方便快速的添加到整个仿真平台中；易用性是指该仿真平台能很好的收集仿 真过程中产生的统计量，并将处理后的统计量通过图像或动画的方式形象的输出。 要满足这样一些要求是十分不易的。因此，对于无线网络的研究，学者们往往会 使用一些现有的网络仿真软件来达到算法及协议验证的目的。在现有的网络仿真 软件中，i i s 2 【2 3 】和o p n e tm o d e l e r t 2 4 】是最著名的两款软件。n s 一2 由于其免费和开 放源代码的特点，备受学术界青睐，但是n s 2 要求使用者有较高的c + + 编程能力 及对n s 2 源码有相当的理解，上手相对较难：而o p n e t m o d e l e r 提供更为形象的 界面及大量的工具，使终端用户能够远离底层设计，只要用户掌握了各个模型的 接口，就能方便的使用它们。 认知无线电网络研究是无线通信研究的热点之一，物理层、m a c 层及上层各 种算法、协议不断涌现，不同的算法、协议往往做出不同的系统假设，并通常只 是关注网络的某一项性能，如吞吐量或者端到端延迟。为了能够更好更有效地验 证这些算法协议，设计认知无线电网络仿真平台是一项极为紧迫的工作。该仿真 平台能针对某一类型的网络，配置网络场景，设置网络节点各个层次采用的算法、 协议，验证某层次的算法、协议的性能，比较在采用不同算法的情况下，网络 的性能等。目前，些学者正在做这样的努力，其中一些研究是基于现有网络仿 真软件的，而部分研究是完全从底层设计开始的，但是到现在为止，还没有一个 4 第一章绪论 广泛使用的认知无线电网络仿真平台。文献 2 5 中，作者使用c 语言构建了一个基 于i e e e8 0 2 1 1 的w r a n 的系统级仿真平台。文献 2 6 中，作者实现了一个异构 无线网络的系统级仿真平台，该仿真平台能同时传输g p r s 、e d g e 、h s d p a 和 w l a n 的数据包。文献【2 7 中，作者基于u s r p ( u n i v e r s a ls o f t w a r er a d i op e r i p h e r a l ) 和g n ur a d i o 设计了一个适用于认知无线电网络的仿真平台。 1 3 主要研究内容和意义 本文主要研究内容及意义如下： ( 1 ) 比较了传统无线网络多信道m a c 协议与认知无线电网络多信道m a c 协 议设计的区别，通过分析现有研究中典型的多信道m a c 协议，提出认知 网络中m a c 协议设计的难点和方向； ( 2 ) 针对分布式认知无线电网络，设计了一种新的多信道m a c 协议。该协议 结合一种自适应的信道、功率和速率分配算法，能够有效地提高认知网络 的吞吐量和频谱利用率，并能够减小认知用户传输数据平均消耗能量和对 主用户网络的干扰； ( 3 ) 为分级频谱共享网络设计了一个仿真平台。该平台基于o p n e tm o d e l e r ， 该仿真平台能够仿真适用于分级频谱共享网络的算法和协议，及衡量分级 频谱共享网络的性能。 1 4 本论文的结构安排 本章中对认知无线电提出的背景及认知无线电的定义做了介绍，同时也介绍 了认知无线网络研究的背景和关键技术，针对本文内容，介绍了认知网络中多信 道m a c 协议设计研究及仿真平台设计研究的背景和意义。 第二章中首先分类介绍传统无线网络中的多信道m a c 协议，并对各类协议的 优缺点进行分析；然后根据认知无线电网络的特性，提出认知网络中多信道m a c 协议设计与传统无线网络的异同及设计难点；最后，通过对研究认知网络多信道 m a c 协议研究典型实例的分析，指出今后研究的方向； 第三章介绍提出的一种基于分布式认知无线电网络的多信道m a c 协议。首 先，介绍协议的系统模型和假设；进而对协议的详细操作流程，及协议中采用的 自适应信道、功率和速率分配算法做详细的分析；最后通过仿真验证协议的性能， 5 电子科技大学硕士学位论文 仿真结果与不采用自适应信道、功率和速率分配算法的同类协议比较； 第四章介绍设计的分级频谱共享网络仿真平台。首先简单介绍分级频谱共享 网络，包括其网络架构，分级思想和通信机制；然后详细介绍仿真平台的设计思 想和主要模块的功能及仿真场景、仿真流程；最后，通过一个仿真实例验证分级 频谱共享网络仿真平台的有效性，同时衡量了分级频谱共享网络的性能； 第五章，对论本文做总结，并给出下一步的研究计划。 6 第二章分布式认知无线电网络中的多信道m a c 协议 第二章分布式认知无线电网络中的多信道m a c 协议 2 1 引言 在无线网络中，若无线信道是多个用户共享的，当多个节点需要使用信道的 时候，确定谁使用，如何使用，显得尤为重要，这就是m a c 协议需要解决的问题。 解决网络中多个用户共享一个信道的问题，称为单信道m a c 协议。2 0 世纪7 0 年 代开始，研究者们就开始进行了广泛的研究，比较有代表性的包括，a l o h a 协议， 它的基本思想是多个无协调关系的用户竞争单个信道的使用权，其信道利用率相 对较低：载波检测多路访问协议( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) ，在此类 协议中，每一个节点侦听是否存在传输，并采取相应的动作。而解决网络中多个 用户共享多个信道的问题，称为多信道m a c 协议。 在认知无线电网络中，往往存在多个授权用户系统，而不同授权用户系统的 授权频段可能是不相邻的多个分段频带。为了更好地利用授权用户系统留下的频 谱资源，就需要多个认知用户可以同时在剩余频段上进行传输，这种情况下，多 信道m a c 协议显然更适用于认知无线电网络。 本章将先从传统无线网络中的多信道m a c 协议入手，分析传统网络多信道 m a c 协议的设计方式；然后针对认知无线电网络，介绍其m a c 协议的设计难点 和与传统多信道m a c 协议的异同，分析几种典型的认知无线网络的多信道m a c 协议。 2 2 传统无线网络多信道m a c 协议 多信道m a c 协议解决多个用户共享多个信道的问题，能够使不同的用户能够 在互不干扰的不同信道上同时进行传输。这种不同用户同时传输的方式，再接入 时间较少的情况下，能够潜在的提高网络吞吐量和减少数据包传输延时。多信道 m a c 协议需要解决的问题包括同一信道的竞争、发送端与接收端控制信息的交互， 如何解决隐藏终端、暴露终端和多信道隐藏终端的问题等。 不同的多信道m a c 协议控制信息交换方式不一样，在单信道交互( s i n g l e r e n d e z v o u s ) 方式的协议中，控制信息交互在同一时间仅发生在一个信道上( 这个 7 电子科技大学硕士学位论文 信道可能会变化) ，这样的协议控制信道可能会变成系统性能的瓶颈；丽在多信道 交互( p a r a l l e lr e n d e z v o u s ) 的协议，控制信息交换可能同时发生在多个信道上，这 种协议解决了单信道交互协议控制信道瓶颈的问题，但是如何让发送端和接收端 在数据交换时工作在同一个信道上成为了新的问题。文献 2 8 依据这种区别，将多 信道m a c 协议分成四类，包括专用控制信道协议、共同跳频( c o m m o nh o p p i n g ) 协议、分阶段( s p l i tp h a s e ) 协议和多信道交互( p a r a l l e lr e n d e z v o u s ) 协议，前三 种协议属于单信道交互协议。 2 2 1 隐藏终端与暴露终端 无线电波的传输范围是这样的：如图2 1 ，节点a 与b 相互都在对方的传输 范围内，它们之间的传输就可能会影响到其他节点。首先考虑a 向b 传输数据的 情况，如图2 1 ( a ) 所示，由于在a 的无线电波传输范围之外，c 将会听不到a 正 在向b 发送数据，此时，c 得出错误的结论，它可以向b 发送数据，若c 真的开 始传送数据，将对b 处发生干扰。由于竞争者离得太远而导致一个节点无法检测 到潜在的介质竞争对手，这就称为隐藏终端问题。而如图2 1 ( b ) ，b 向a 发送数据， c 将会听到有一个传输正在进行，从而得出错误的结论：它不能向d 发送数据， 而实际上c 是可以向d 发送数据而不对其他节点产生有害干扰的，这种由于检测 介质造成浪费传输机会的问题，就称为暴露终端问题。在w l a n 采用的c s m a c a 协议中，用户通过侦听发送方与接收方控制信令交互，能够有效控制隐藏终端和 暴露终端的影响。 围 囹回圆 ( a )( b ) 图2 1 隐藏终端与暴露终端 m a c 协议设计的一个重点就是要解决或缓解隐藏终端和暴露终端的问题。对 与多信道的情况而言，还存在种多信道隐藏终端的问题，由于不同用户可以在 互不干扰的信道上同时进行传输，一个用户在进行传输数据的时候，并不能侦听 8 第二章分卅l 式认知无线电网络中的多信道m a c 西议 到网络中的其他用厂。的控制信息交互，从而可能会对网络中其它用户产生干扰。 2 2 2 专用控制信道协议 专用控制信道协议每个节点装备有两个无线电收发机( r a d i o ) ，其中一个专门 工作在控制信道上，因此，即使在节点传输数据的过程中，也能侦听到邻居节点 控制信息。这类协议主要需要设计收发双方如何存控制信道上交换控制信息。如 图2 2 所示，假设有三条数据信道和一条控制信道，有数据发送要求的节点，需要 在控制信道上与接收节点进行r t s ( r e q u e s t t os e n d ) 和c t s ( c l e a r t os e n d ) 等 控制信息的交互，双方就在那条数据信道上传输数据达成一致，并通知邻居节点 需要使用多久数据信道，蚍便其更新数据信道的状态。 数据信道1 数据信道2 数据信道3 控制信遒 数据 数据 数据 l 蛹 蕊 + 舔赢时s j凹s 削2 - 2 专用控制信道协议 专用控制信道协议通过使用两个无线电收发机，能够有效避免多信道隐藏终 端问题，也能够通过类似c s m a c a 协议的方式控制隐臧终端与暴露终端的问题， 更为重要的是，专用控制信道协议不需要叫间h 步。而其缺点也是很明显的，需 要更多的额外资源，包括一个无线电收发机与一条不用作数据传输的控制信道。 其设计难点在于控制信道的瓶颈问题，即虽然数据信道存在空闲，但是控制信道 不能及时有效地进行控制信令交互。 2 2 3 共同跳频协议 数据信道1 数据信道2 数据信道3 数据信道4 f 叫乎| 数据 i 酬蓬| 数据 霉| 。闲一 瀑l俐