（通信与信息系统专业论文）认知无线民系统视频传输技术的仿真与评估.pdf

j e 基交垣太堂亟堂僮途塞 虫塞擅噩 中文摘要 摘要：近年来，无线通信技术的飞速发展极大地促进了人类社会的信息化进 程。然而，随之而来的大量频谱资源需求却使现有的频谱资源显得捉襟见肘。同 时，固定的频谱分配方式使得频谱资源利用率偏低，这已成为制约无线通信技术 发展的主要障碍。认知无线电技术在不影响授权用户使用的情况下，采用动态频 谱接入技术，充分利用当前被闲置浪费的授权频段，极大提高了频谱利用率，已 被越来越多的研究机构所重视。 视频传输业务是当前无线业务的主要增长点，也是未来无线业务发展的趋势 所在。h 2 6 4 编码因其高效的压缩率及网络友好性而被广泛应用在实时无线视频传 输领域，已成为该领域的主流标准之一。然而，当前国内外对无线视频传输技术 的研究主要以3 g 移动网络和宽带无线口网络为背景。有关认知无线电的研究也 主要集中在如何解决次级用户和主用户之间的共存以及不同次级用户之间的冲突 避免和公平性等问题，对认知无线电网络下视频传输技术的研究却还很少，更缺 乏对算法进行仿真评估的统一平台。 本论文来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“频谱资源共享无线 通信系统”重点项目。基于这个项目，本文主要做了以下工作： 首先，对认知无线电系统相关理论进行了介绍，验证了认知无线电技术可以 有效地提升频谱利用率。其次，研究了认知无线电下视频传输的相关技术，分析 了认知无线环境对网络各层的影响及其研究现状。设计了认知无线电实时视频传 输仿真平台，编写了仿真平台的数据交换接口模块、m a c 层模块、接口子层模块、 性能评估模块以及仿真平台的图形用户界面部分( 仿真平台的应用层h 2 6 4 编码 器模块，传输层t f r c 协议与跨层控制器模块由项目合作单位编写) ，并对项目合 作单位提供的关键技术进行了仿真评估测试。 关键词：认知无线电；视频传输；n s 2 ；h 2 6 4 跨层设计；评估； 分类号：t n 0 1 4 j 匕塞交道太堂亟堂僮论塞垦墨! 丛! a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd 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 n t e c h n o l o g yh a sg r e a t l ya c c e l e r a t e dt h ei n f o r m a t i z a t i o no fh u m a ns o c i e t y h o w e v e r , t h e s u b s e q u e n ti n c r e a s ei ns p e c t r u md e m a n dc a nn o tb es a t i s f i e db ye x i s t i n gs p e c t r u m r e s o u r c e s m e a n w h i l e ，u n d e rt o d a y ss t a t i cs p e c t r u ma l l o c a t i o np o l i c y , t h eu t i l i z a t i o n r a t eo fs p e c t r u mr e s o u r c ei st o ol o w a sa r e s u l t ，t h ep r o g r e s so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi si m p e d e d a sat e c h n o l o g yt h a th a sb e e nm o r ea n dm o r ev a l u e db yr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s ， c o g n i t i v er a d i oc o u l dg r e a t l yi m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c yw i t h o u ta f f e c t i n gt h eu s eo f a u t h o r i z e du s e r s t h i si sr e a l i z e dt h r o u g hd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s st e c h n o l o g ya n d o t h e rk e yt e c h n o l o g i e s c u r r e n ts t u d i e so nw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh o m ea n da b r o a d m a i n l yf o c u so n3 gm o b i l en e t w o r k sa n db r o a d b a n dw i r e l e s s i pn e t w o r k s m o s to f p r e v i o u sr e s e a r c h e sa b o u tc o g n i t i v er a d i oc o n c e n t r a t e do nt h ec o e x i s t e n c ef o rs e c o n d a r y u s e r sa n dp r i m a r yu s e r so ra v o i d i n gc o n f l i c t i o na n dk e e p i n gf a i m e s sb e t w e e nd i f f e r e n t s e c o n d a r yu s e r s ，b u tf e wf o c u so nc o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r k sf o rv i d e ot r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y w h a t sm o r e ，t h e r ei sn o tau n i f i e ds i m u l a t i o np l a t f o r mt oa s s e s st h ev i d e o t r a n s m i s s i o na l g o r i t h mo fc o g n i t i v er a d i o t h i ss t u d yi ss u p p o r t e db yak e yp r o j e c to ft h en a t i o n a lh i g h t e c hr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n an a m e d “f r e q u e n c yr e s o u r c e ss h a r i n gb a s e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ”t h ep a p e rf i r s t l yf o c u s e so nt h es t u d yo ft h et h e o r yo fc r s y s t e ma n dt h ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to nf r e q u e n c yu t i l i z a t i o no ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m s t h eo t h e rc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri st h ed e s i g no fc rr e a l t i m e v e d i ot r a n s i m i s s i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hi n c l u d e st h ec o d i n go fd a t ae x c h a n g e i n t e r f a c e ，t h ec o d i n go fm a cl a y e ro fc rb o t t o ml a y e re n v i r o n m e n ta n dt h ec o d i n go f g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) i ts h o u l da l s ob ec l a r i f i e dt h a tb o t ht h ed e s i g no fh 2 6 4 c o d e rf o ra p p l i c a t i o nl a y e ra n dt h ed e s i g no ft r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o lt f r ci n c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma r ea c c o m p l i s h e dw i t hi n s i t i t d eo fa c o u s i t c ，c h i n e s e a c a d e m y o f s c i e n c e s f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ek e yt e c h n i q u e sa r ed e m o n s t r a t e d f o rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；v i d e ot r a n s m i s s i o n ；n s 2 ；h 2 6 4 ；c r o s s l a y e rd e s i g n ； a s s e s s m e n t ； c i a s s n o ：t n 0 14 1 v 致谢 本论文是在我的硕士导师陶成教授及黄清老师的精心指导下，在其他老师、 同学、朋友及亲人的共同关心和支持下完成的，在此我要向他们致以衷心的感谢! 首先要感谢我的硕士导师陶成教授。在二年半的硕士的学习生活中，陶老师 在学业上给予我精心指导，在研究工作中给我提供了大量建设性意见和建议，鼓 励我不断前进，使我得以顺利完成研究工作。陶老师渊博的知识、严谨的治学态 度、敏锐的学术洞察力永远是我学习的榜样和今后努力的方向。 感谢8 6 3 项目组负责人黄清老师，在两年的课题研究过程中，黄老师给了我 很大的指导和帮助，教授了我许多理论知识和解决问题的思路、方法。在论文的 撰写与修改过程中，黄老师也给我提了许多宝贵的意见。黄老师渊博的学术修养、 宽厚乐观的生活态度及严谨求实的治学态度使我获益终身。 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，师兄刘留、周志艳、王刚和李佳俊，师姐秋 佳慧以及我的同学贾媛媛，陈福森，何康，周涛，董超等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，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 他们是我永远向前、奋斗不息的精神支柱和动力源泉，我所取得的每一点一滴的 进步，都凝聚着他们的心血和期望，在这里，特向他们献上我最深切的感激和最 衷心的祝福! 北京交通大学硕士学位论文 引言 1 引言 1 1选题意义 近年来，无线通信业务随着无线通信技术的发展而不断增长，日益增多的无 线业务也使得频谱资源日益匮乏。就目前无线频段的管理方式而言，国内外均采 用固定频谱分配的方式，即将频谱资源分为授权和非授权频段两类。其中，授权 频段占有绝大多数的频谱资源( 例如电视广播频段) ，由得到授权的团体( 或部门) 长期独占使用；非授权频段可供使用的频谱资源相对较少且用户需要采用竞争接 入的方式使用。这种频谱分配方式虽然能够保证用户间不相互干扰，却容易造成 授权频段频谱资源的浪费。美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i s s i o n , 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 1 1 。 美国s h a r e ds p e c t r u m 公司对美国3 0 - - 一3 0 0 0m h z 频段的频谱利用率调查的结果是 5 2 附2 h7 | 。如此低下的频谱利用率是由于固定的频谱分配政策和授权用户独占频谱 使用权，使得频谱分配不能适应动态频谱变化，造成有些频段大量空闲，有些频 段却供不应求，严重制约了无线通信技术的发展。所以，要提高频谱利用率，就 必须开放部分授权频谱使用权，采用动态频谱接入的方式以充分利用闲置的频谱。 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 1 8 】技术因其采用动态频谱接入的特点受到了学术 界和产业界的普遍关注，被认为是解决当前频谱利用率低下问题的有效手段。 现阶段无线网络带宽的不断增加以及具备多媒体业务处理功能的移动终端的 不断普及使得多媒体业务已成为无线通信技术发展的不可或缺的组成部分。视频 以其直观且生动的形象反映特性受到人们的普遍欢迎，其在无线多媒体应用中比 重的日益增大也引发了人们对无线视频传输技术的广泛关注，现已成为无线多媒 体应用的重要组成部分。所以，要研究认知无线网络技术，那么研究认知无线环 境下的视频传输技术就成为了一种必然。认知无线视频传输能够应用在诸多领域， 比如无线视频点播、无线视频电话、无线网络电视会议、安防监控以及实况转播 等。认知无线网络视频传输业务的特点是：在不对授权用户造成干扰的同时，在、 动态频谱变化的条件下实现视频的连续、实时、可靠地传输。然而，认知无线网 络的结构时常动态变化，信道的带宽资源十分稀缺，传输时延及丢包率较高，这 些特征都对视频传输业务提出了严峻的挑战。 在现代通信系统的研发过程中，计算机仿真是研究和设计通信系统的重要辅 助工具。通过计算机仿真可以有效衡量当前系统的性能，仿真的结果也是研究开 北京交通大学硕士学位论文 引言 发新系统的可靠依据，可以有效提高新系统的研发成功率，消除新系统中的潜在 瓶颈，优化系统的整体性能。所以，要研究认知无线电系统下的视频传输技术， 一个能够对认知无线电下视频传输技术进行评估的仿真测试平台就显得不可或 缺。仿真平台利用软件实现形式对认知无线电下视频传输的系统结构和运行进行 模拟，考察系统的设计是否能够满足各场景下的各项技术指标，分析是否需要对 系统进行进一步的优化。然而，目前国内外尚缺少这样一个统一规范的仿真平台。 因此，结合国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“频谱资源共享无线通信系 统”重点项目的任务，本文研究了认知无线电下视频传输的相关技术，设计开发 了认知无线电实时视频传输的系统级仿真平台，并对相关的视频传输关键技术进 行了评估测试以衡量其性能。 1 2本文的主要工作和结构 本论文的主要工作是研究了认知无线电系统的相关理论，对其对频谱利用率 提升做了理论和算法方面的验证；研究了认知无线电视频传输的相关技术及认知 无线电环境中的跨层设计方法，设计了认知无线电实时视频传输仿真平台，搭建 编写了认知无线电实时视频传输仿真平台的数据交换接口、m a c 层以下认知无线 电底层环境( 主要包括多信道多接口功能的添加、m a c 协议设计、a m c 模块及 认知无线电接口子层部分) 、仿真平台的图形用户界面部分，并对项目合作单位提 交的的关键技术与对比算法进行了仿真评估测试。 论文的主要结构如下： 第一章就选题背景出发对认知无线电产生的背景、无线视频传输的现状及研 究开发认知无线电下视频传输仿真平台的必要性进行了简要的介绍，并描述了本 文的主要工作和结构。 第二章首先对认知无线电的概念作了介绍，并设计了算法f r e uc r 验证了认 知无线电对频谱利用率提升的有效性。接着基于o s i 模型介绍了网络各层的认知 无线电关键技术及需要解决的问题。接着介绍了实时视频传输的主流标准h 2 6 4 ， 并对认知无线电下视频传输面临的挑战进行了分析，最后对认知无线电环境中的 跨层优化与视频传输的研究现状进行了阐述。 第三章首先介绍了仿真平台开发的软件n s 2 ，并对其仿真流程进行了剖析。 接着介绍了本文设计的认知无线电实时视频传输仿真平台的基本构架，并对总体 架构的各个模块进行了描述，着重介绍了本文作者完成的仿真平台的认知无线电 底层环境的搭建及性能评估的相关部分。最后介绍了使用q t 软件开发仿真平台 g u i 图形用户界面的过程及仿真平台的图形用户界面的主要部分。 北京交通大学硕士学位论文 引言 第四章首先介绍了本文需要评估的算法及其对比算法，并设定了仿真环境及 其参数设置方案，接着给出了评估测试所得的主客观评价结果，并对其进行了详 细的分析，最后得出了对关键技术算法评估测试的主要结论。 第五章首先对本文的主要内容进行了总结，并对课题的后续研究作了展望。 北京交通大学硕士学位论文 基于认知无线电的视频传输的关键技术 2 基于认知无线电的视频传输的关键技术 2 1 认知无线电的概念及其基本特征 认知无线电的概念自从1 9 9 9 年j m i t o l a 博士在其学术论文中提出到现今已有 1 0 来年的历史，期间，许多不同的机构、学者分别从不同的角度对认知无线电作 了定义。其中，最具有代表性的有以下几种定义： j m i t o l a 博士认为：认知无线电是一种智能的无线通信技术，先感知环境并进 行分析和判断，再利用无线电知识描述语言( r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n l a n g u a g e ，r k r l ) 自适应地调整其内部的通信参数( 如发射功率，工作频率，编码 方式等) 以适应环境的变化【8 】f 9 1 。认知无线电技术的核心思想是通过检测频谱空洞， 以不影响授权用户使用为前提，智能地选择、利用空闲频谱，提高频谱的利用效 率。 f c c 认为：“认知无线电是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无 线电”，把认知无线电作为实现真正意义上机会式频谱共享的一种最有利的候选技 术【1 0 1 。 s i m o nh a y k i n 教授从信号处理的角度出发阐述了认知无线电的概念：“认知无 线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并智能地从环境中学习， 通过实时改变如传输功率、载波频率和调制技术等操作参数，使其系统内部状态 适应接收到的无线信号的变化，以实现对频谱资源有效利用【1 1 】。” 国际电信联盟( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ：n u ) 则为认知无线电 作了如下定义：认知无线电为这样的无线电或系统，它可感知或了解其操作的环 境从而动态、自治地调整其操作参到1 2 】。 在对认知无线电系统的研究中，人们根据用户的频谱使用优先级，将其分为 主用户( p r i m a r yu s e r ) 和次用户( s e c o n d a r yu s e r s ) 。主用户，即得到授权的用户； 而次用户，即非授权用户，通过借助认知无线电技术，以不干扰授权用户使用为 前提下择机接入。 通过上述的定义，可以看出认知无线电主要具有以下两个特征： ( 1 ) 认知能力：主要包括频谱检测( 捕获及侦听信息以避免干扰其他用户) ， 频谱分析( 识别出频谱空洞) ，频谱判决( 选择出适合的工作参数和效果最好的可 用频谱) 这三个过程。 ( 2 ) 重构能力：认知无线电技术能够根据无线环境动态的进行参数配置，实 北京交通大学硕士学位论文 基于认知无线电的视频传输的关键技术 现在变化的频率上发射和接收，并可使用不同的传输和接入技术。 认知无线电的基本任务是认知过程，如图2 1 所示，始于无线电的射频激励， 以进行频谱管理并发射相应信号终止。一个基本的认知环包括3 个基本环节：无 线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测建模、功率控制和频谱管理。前两 个过程是在认知无线电系统的接收机端进行，后者是在发射机端进行。 发射机接收机 图2 1 认知无线电循环过程 f i g u r e2 1c o g n i t i v ec y c l e 由于无线电环境始终是在动态地变化的，所以认知无线电面临最重要的挑战 是：跟踪无线环境变化，调整自身配置参数，在不影响主用户使用的条件下共享 授权频谱，同时周期性检测外部无线环境的变化情况，当主用户再次出现时，要 及时避让以腾出占用频段给主用户使用。这就需要通过上述的认知能力和重构能 力以获得最佳的可用频谱。 2 2认知无线电对频谱利用率提升的有效性验证 采用认知无线电技术的主要优势是能够大幅度地提高频谱利用率，所以本文 设计了一个f r e u c r 评估算法对该技术对频谱利用率提升的有效性进行了验证。 假定对某频段采用认知无线电技术，设主用户对该频段资源的占用总量为 m 。球，其中m 。为该频段的频谱资源总量，为频谱利用率。令该频段虚警概 北京交通大学硕士学位论文 基于认知无线电的视频传输的关键技术 率为弓= p ( q ) ，则漏警概率为己= p ( h o q ) ，检测概率为= p ( q 耳) 。 那么该频段内可被认知用户检测到并使用的频谱资源总量为 m 。= 弘。丰o - p o ) 宰( 1 一只) ，而经检测后不能被认知用户利用的频谱资源总量为 。= m 。半( 1 一只) 半弓+ m 。宰只木只( 其中m s 。木( 1 一) 球只是虚警导致频谱资源 浪费部分，m 。木只木只是漏警对主用户造成干扰部分) 。 通过上述设定可知，该频段总体的频谱利用率可表示为： =aco*po*(1-p)+m“o*o-po)*o-*pa木loo m 。 = p o 木( 1 一只) + ( 1 一p o ) 木( 1 一术只) = 1 一( 1 一) 唪只一只术乞 该频段频谱利用率提升量为： 只= 1 一( 1 一只) 术只一只球只一只 下面将采用能量检测对以上算法在a w g n 信道下进行分析和验证。 当信道情况已知时，能量检测是a w g n 信道中最佳的检测方法1 2 】。 频谱检测模型【1 3 】为 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 令发射机 荨：蒿三茹】+ 悯k = 1 , - - , k ， e ：少 后 = 虹后 + 后】 、。7 其中矾，q 分别表示a w g n 信道中主用户信号是否占用的两种假设，七】为 高斯白噪声，服从n ( o ，0 - 2 ) 分布。工 七】表示主用户的发送信号，儿尼 表示次用户接 收到信号，k 表示抽样序列标号，k 表示抽样点数。由儿尼 根据不同的检测算法， 利用数理统计的理论方法，就可构造出相应检测统计量y ，然后依据判决规则： 就可得到检测结果( 九为判决门限) 。能量检测的判决统计量如式( 2 - 5 ) 所不： y = e r 2 嘲( 2 5 ) 、。 、- 一， 又因其服从z 2 分布【1 4 ，故又可表示为： y = 摩n 竺 倍6 ， 其中， y 表示信道的s n r ，为时域带宽积。则该信道下虚警概率弓，检测 概率只又可表示为： p = p 队允i h 0 ) = 訾 ( 2 7 ) 、j 4 2 ，、 兄 曩 i 其中，c h a n n e li d 表示信道编号( 范围从1 1 0 ) ；c h a n n e ls t a t e 的值为“0 ” 或“1 ”，表示次用户检测到的信道占用情况的结果( 即s t a t e l ，s t a t e 3 对应“0 ， s t a t e 2 ，s t a t e 4 对应“1 ”) ；dt i m e 信道处于当前状态的时间长度：o nt i m e 和 o f f t i m e 分别表示主用户当前时段内平均占用时间长度和信道当前时段内的平均 空闲时长：n o i s e 表示信道的噪声，cl o s s 表示信道的链路损耗。 次用户的m a c 层按照信道检测周期从信道文件中读取信道信息，然后通过协 商决定决入哪条信道。需要注意的是次级用户必须先等待一个感知时长才能接入 空闲可用信道。如图3 9 所示，其中r 0 表示每个传输时隙，其包括信道检测阶段f 。 和数据传输阶段0 时隙k 1 ， 时冶1 - 厂 1 1 4 = jl 坏a 7 t s t p t s t p ，人、一人、i h 一，九 、 lil f 、 图3 9 数据传输时隙 f i g u r e 3 9t h et i m es l o to f d a t at r a n s m i s s i o n 3 4 2 信道竞争协调机制 对一个m a c 层协议而言，节点问建立连接必须通过信道竞争协调机制进行管 理，否则信道的冲突将时常发生。本小节首先介绍c r m a c 协议的帧格式，然后 北京交通大学硕士学位论文 认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 对连接的建立以及协议的竞争协调机制进行详细的描述。 3 7 2 1 帧格式设计 m a c 层协议除了数据帧外，还需要有控制帧用于发送节点及接收节点问进行 信令交互。控制帧在公共控制信道上传输，其类型有用于发送节点请求发送的r t s ， 接收节点响应r t s 的允许发送节点发送的c t s ，以及接收节点接收完所有数据的 确认帧a c k 。下面将对各帧的帧格式及其内容作介绍： ( 1 ) r t s 帧 r t s 帧用于发送节点请求接收节点建立连接，并告诉接收节点其感知的结果 ( 从接口子层读取的可用信道列表) 及需要发送的数据分组数目和最大数据分组 的大小。其帧格式如图3 1 0 所示，其中帧控制还包括帧类型部分： 匿囊i i j ：囊露蠹殛爱匿鎏璧圈銮匿 图3 1 0 r t s 帧格式 f i g u r e 3 10t h ef r a m ef o r m a to fr t s 其数据结构如下： s t r u c t c rr t s f s t r u c t f c o n t r o lr t s f _ f e ； u i n t l6 _ tr t s f _ d u r a t i o n ； u i n t 3 2 3 r t s f _ d a ； u i n t 3 2 t r t s fs a ； u i n t 8 一t r t s f c h 1 0 ； u i n t 8 tr t s f _ p k t _ n u m ； u i n t l6 tr t s f _ d a t a s i z e ； u i n t 8 一t r t s f _ f c s e t h e u c s _ l e n 】； ； 其各个字段具体功能是： 帧控制：占两个字节。帧控制字段是借鉴i e e e8 0 2 1 1 协议的做法，但是在实 际使用中只用到了帧类型和帧子类型字段，分别占2 个和4 个比特。帧类型字段 用来标识是数据帧还是控制帧，而帧子类型字段用来标识是d a t a 、r t s 、c t s 还 是a c k 帧。 持续时间：用于其它节点的虚拟载波侦听，防止节点间互相干扰。 目的地址：帧接收节点的地址。 源地址：帧发送节点的地址。 北京交通大学硕士学位论文认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 可用信道列表：发送节点检测到的当前未被主用户占用的信道标号。 数据帧数目：指发送节点有多少数据帧准备发送。 最长数据帧大小：欲发送的数据帧中最长帧的字节数。 校验和( f c s ) ：检查帧是否损坏。 ( 2 ) c t s 帧 c t s 帧用于接收节点对发送节点的r t s 进行确认，并告诉发送节点其经过比 对可用信道交集，信道选择后的用于数据传输的信道编号及相应的信道参数。其 帧格式如图3 1 1 所示。 图3 1 1c t s 帧格式 f i g u r e3 1 1t h ef r a m ef o r m a to f c t s 其数据结构如下： s t r u c tc r _ c t s f s t m c t f c o n t r o l c t s f _ f c ； u i n tl6 t c t s f _ d u r a t i o n ； u i n t 3 2 te t s f _ _ d a ； u i n t 8 一t c t s f _ _ c h s 10 ；传输信道标号 s t r u c tc hi n f oc t s fc h i n f o ；传输信道参数 u i n t 8 一t c t s f _ f c s e t h e r c s _ l e n 】； ) ； ( 3 ) 数据帧 数据帧用于发送和接收节点建立连接后在可用信道上进行数据传输。其帧格 式如图3 1 2 所示。 堕弭耍匹亟巫委西夏ii 妥三座逐 图3 1 2 数据帧格式 f i g u r e3 1 2t h ef r a m ef o r m a to f d a t a 其头部数据结构如下： s t r u c th d rm a c _ c r s t r u c t f c o n t r o l d h _ f c ； u i n t l6 t d hd u r a t i o n ； u i n t 3 2 td h _ d a ； u i n t 3 2 td h _ s a ； ui n t l 6t d hf c s ； 2 8 ! ! 室銮望奎学硕士学位论文 认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 ( 4 ) a c k 帧 其帧格式如图3 1 3 所示。 l 一“ i 帧撞翎i f l i j 祷瑶暗淘i i 。j 目的地址墨 ；i 鞴薰攀遥i l _ = - ：- 繁i 毒轻藕酶攀 i董至 _ 三：一。 i j _ _ _ i 图3 1 3 a c k 帧格式 f i g u r e3 1 3t h ef r a m ef o r m a to f a c k 其数据结构如下： s t r u c t c r _ a c k f s t r u c t f c o n t r o la c k f _ _ f c ； u i n tl6 ta c k f _ d u r a t i o n ； u i n t 3 2 ta c k f _ d a ； u i n t 8 一t a c k f _ c h s 1 0 ；确认传输信道标号 u i n t 8 一t a c k f _ f c s e t h e r - - f c s _ l e n ； ) ； a c k 帧用于接收节点对发送节点发过来的数据分组进行确认，加入确认信道 信息主要是用于发送节点对数据传输信道的再确认。 3 7 2 2 连接的建立与帧的交互 节点初始化完成后，如果没有数据需要发送的，就守候在公共控制信道上进 行侦听。在侦听的过程中搜集到其它节点的通信信息( 包括使用信道和功率) ，以 防止对它们造成干扰；如果节点有数据帧需要发送，就需要先与目的节点建立连 接。 连接的建立过程如下： ( 1 ) 节点在公共控制信道上发送r t s 帧给目的节点，在r t s 帧中包含欲发 送的数据帧个数，以及最长帧的长度及其感知到的可用信道。 ( 2 ) 目的节点接收到r t s 帧后，根据接收的数据帧个数以及其读取的接口子 层感知结果并进行比对后选择合适的一个信道作为数据信道，并把这些信道信息 写入c t s 帧。 ( 3 ) 发送方接收到c t s 后，根据帧中的信道信息更新自己的信道并准各发送 数据，至此收发双方建立起连接。 ( 4 ) 连接建立后，双方的信道已经同步，在等待一段空闲时间后发送方发送 数据帧，如果发现信道不空闲，则重新发起连接。 ( 5 ) 接收方正确接收完所有数据后在所有数据信道上回复a c k ，每个a c k 北京交通大学硕士学位论文 认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 帧都包含对所有数据的确认。 在通信正常情况下发送、接收节点m a c 的状态转换图如图3 1 4 所示。 图3 1 4m a c 层节点状态转换图 f i g u r e3 1 4t h es t a t et r a n s i t i o nd i a g r a mo f m a cl a y e rn o d e 当节点处于m a ci d l e 即空闲状态时，可以随时进行发送或接收分组；当节 点处于m a cr t s 状态时，表明其刚发送完r t s 帧，节点处于阻塞状态，直到接 收到接收节点发送的c t s 或r t s 发送超时；当节点处于m a cc t s 状态时，表明 其刚发送完c t s 帧，节点处于阻塞状态，直到接收到发送节点发送的数据分组或 c t s 发送超时；当节点处于m a cs e n d 状态时，发送节点开始发送数据分组， 直到接收到接收节点的a c k 帧；当节点处于m a ca c k 状态时，接收节点发送 a c k 帧。 3 7 2 3c r - m a c 协议的分布式协调机制 c r m a c 协议采用的分布式协调功能以i e e e8 0 2 1 1 的分布式协调功能 ( 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 ，d c f ) 为基础，但是又针对认知无线电环境的 特点做了一些修改，以减少不必要的时间浪费，从而增加网络的整体吞吐量。下 面分别介绍改进后的分布式协调机制的不同子模块。 ( 1 ) 载波侦听机制 和i e e e8 0 2 11 一样，本协议也采用物理载波侦听和虚拟载波侦听结合的机制。 物理载波侦听机制由物理层提供，在这里不作介绍；而虚拟载波侦听机制由m a c 提供，它通过网络分配向量( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ，n a v ) 机制实现。n a v 北京交通大学硕士学位论文 认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 包含对媒介上将进行的通信的预测信息，c r - m a c 的n a v 信息通过实际交换数据 前的r t s 和c t s 的持续时间域获得。 在i e e e8 0 2 1 1 协议的d c f 中，由于其单信道的特点，同时进行通信的节点 只能有一对，所以n a v 的时问设置包括了数据的传输时间，如图3 1 9 所示。而在 c r m a c 协议中，由于是多信道环境，r t s 发送之前节点并不知道哪个信道可以 建立连接和哪个信道可以用来进行数据通信，如果在所有信道上设置的n a v 有效 时间都一直持续到a c k 接收完毕，那么代价太大，会造成信道的不必要浪费。所 以发送节点设置的n a v 只需要到自己收到接收方发送的c t s 帧为止。接收方发送 的c t s 帧已经确定了用来发送数据的信道，所以此时n a v 的有效时间可以一直持 续到数据发送方收到a c k 为止，而且仅作用在实际上用来发送数据的信道上。 源站点 卜d i f s 书蓦媾i j d 嚼 f i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4 - s i f s 叫r t s is i f s 4 s i f s - 1 a c k n a v ( r t s ) 一一j d i f s p 竞争窗孽j jn a v ( c 赆) 后退惩 图3 1 58 0 2 1 1 协议中的n a v 设置 f i g u r e 3 15t h en a v s e to f8 0 2 11p r o t o c o l ( 2 ) 确认机制 正确接收某些帧( 通过f c s 检验) 之后，要求返回应答帧，即a c k 。在c r m a c 协议中，a c k 直接在数据帧的发送信道上回复，如果存在发送方同时发送2 个以 上数据帧的情况，则接收方等待最长帧接收完毕后再回复a c k 且无需退避，每个 信道的a c k 对相应的数据帧分别进行回复，即收到多少个数据帧就回复多少个 a c k 。 ( 3 ) 帧问间隔 帧与帧之间的时间间隙称为帧间问隔( i n t e rf r a m es p a c e ，i f so 在i e e e 8 0 2 1 1 中，采用了4 种不同的i f s ，而c r - m a c 协议采用了其中的2 种，其中s i f s 用于 数据帧和c t s 帧的发送，d i f s 用于r t s 帧的发送。 ( 4 ) 随机退避时间 c r m a c 协议采用的退避机制与i e e e8 0 2 11 协议不同，它不随重传次数的增 加而增大退避窗口值。在i e e e8 0 2 1 1 中，在数据发送前节点将生成随机退避时间 以推迟发送，它采用的退避时间为：b a c k o f f t i m e = r a n d o mx a s l o t t i m e ( 即退避时 j ! 室銮望奎堂堡堂垡 ：噬寥认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 问= 伪随机整数时隙时间) 。其中“r a n d o m ( ) ”表示均匀分布在 o ，c w 范围内的 伪随机整数，而c w 为物理层特征值日c 虼；。( 最小竞争窗口) 和a c w n 。，( 最大竞 争窗口) 之间的数。而如果帧需要重传，那么每重传一次，a c w 。，的值都会递增，m 直至重传次数已经用尽。所以r a n d o m ( ) 的值也是随着重传次数的增多而增多的。 而由于认知无线电环境信道的多变性，如果在退避一段时间后发现当前信道已经 不空闲，就可以使用别的信道继续发送数据，而不是继续退避。根据这种实际情 况，在本文设计的协议只使用最小竞争窗口口c 既i n ，以减少不必要的等待。 3 7 2 4 重传机制 在通信过程中，由于信道条件的限制，并不是每次的帧传递都能成功，所以 设计一种好的重传机制对提高网络整体效率也有重大的作用。根据认知无线电环 境的具体情况，c r m a c 协议采用如下的重传机制： ( 1 ) r t s 帧发送超时，说明连接没有建立成功，那么节点首先更新信道。由 于信道被更新，而r t s 中又需要包含新的可用信道信息，所以要重新生成r t s 帧， 如果发送再超时，重复同样的步骤，直到重传次数达到7 次，同时丢弃数据帧。 ( 2 ) c t s 帧发送超时，可能原因是c t s 帧在发送过程中出错，或者是通信发 起方的数据帧发送出错。不管是前者还是后者，由于r t s 已经存在重传机制，这 两种情况下通信发起方都会对r t s 进行重传，对c t s 进行重传不仅多余，而且还 会造成混乱，所以c t s 不需要重传。 ( 3 ) 数据帧发送超时，原因有两种，一种是数据帧在发送过程中出错，另一 种是a c k 发送出错。发送超时说明信道条件可能已经发生变化，原来的信道已经 不再用于数据传输，所以收发双方需要重新建立连接，即数据发送方更新信道， 并重新发送r t s 。数据帧的重传次数是4 次。如果达到最大重传次数，则丢弃此 数据帧。 ( 4 ) a c k 不需要进行重传。因为即使a c k 帧在发送过程中出错，通信发起 方会认为数据发送失败而重新建立连接，所以接收方只需要更新信道等待发送方 重传r t s 即可。 至此，可以得出较完整的c r - m a c 协议流程图，如图3 1 6 所示。 ! ! 室銮望奎堂堡主堂篁堡苎认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 二_ 二二：二：! = = ：! 二：竺：1 3 5a m c 模块 图3 1 6m a c 层协议流程图 f i g u r e3 1 6t h ef l o wc h a r to f m a cl a y e rp r o t o c o l 在无线网络中的数据传输丢包主要是由于无线链路的衰落引起的。物理层的 a m c ( 自适应调制编码) 模式被用来在传输速率和传输可靠性之间取得平衡。通 常，为了提高传输速率将会采用较大的星座图。但是在发射功率一定的情况下， 此时的传输可靠性降低，信道误比特率会增高，接收端信道正确解码的概率会降 低。在长度一定的条件下，数据包在无线信道上丢失的概率越大。反过来，如果 采用了较小的星座图，信道的误比特率得到降低，传输的准确率将获得提高，但 是传输速率会降低，导致传输时延的增加。在以往的设计中，a m c 模式的选择通 常是以最大化网络有效吞吐量等为优化目标【3 引，而没有考虑应用层业务对时延和 北京交通大学硕士学位论文 认知无线电实时视频传输仿真平台设计与实现 丢包的不同要求。如果选择大星座图来传输视频则有使得数据在信道上更容易丢 失，必然会带来失真，而如果选择较小的星座图来传输则有可能不能按时到达接 收端，同样也可能损害接收视频质量。而且，视频编码的量化步长越小传输速率 要求越高。因此，要最大化端到端视频质量，解决传输时延和视频质量之间的矛 盾选择合适的a m c