（环境科学专业论文）基于环境认知的无线mesh网络mac协议的研究.pdf

a b s 仃a c t a b s t r a c t r e e e n t l y ， b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c o m e st h eh o tr e s e a r c h o fc o m m u n i c a t i o na r e a t h i st h e s i ss t u d i e st h eb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r k b a s e do nt h ee n v i r o n m e n tc o g n i t i o n ，k n d w na sc o g n it i v ew i r e l e s s m e s h n e t w o r k ，w h i c ha p p l i e st h ec o g n i t i v et e c h n o l o g yi n t ow i r e l e s sm e s hn e t w o r k i t i san e wb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r kh a v i n ge n v i r o n m e n tc o g n i t i o n ， h i g h s p e c t r a le f f i c i e n c y ， h i g hf l e x i b i l i t ya n dw i d ec o v e r a g e i nt h i st h e s i s ， w ec o n d u c tt h er e s e a r c ho f 臀i r e l e s sm e s hn e t w o r k 瓶越tl 主e h a n n e lp r o t o e 0 1 ，a n d t h e nm a i n l ys t u d yt h em a cp r o t o c o lb a s e do nt h ef r e q u e n c ys e n s i n g ，c h a n n e l q u a l i t ys e n s i n ga n dr o u t es e n s i n g f i r s t l y ， w ei n tz o d u c et h em u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o la n dd y n a m i c c h a n n e la s s i g n m e n ti nd e t a ila n dt h e na n a l y z et h e i rp e r f o r m a n c e st h r o u g h s i m u l a t i o n ， b a s e do ni n t r o d u c t i o no ft h em a cp r o t o c o lo fw i r e l e s s1 0 c a l a r e an e t w o r ka n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k t h e n ，w ep r e s e n tt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fm u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o lo fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ， i n c l u d i n g t h eb e r n o u l1 im o d e la n dm m kq u e u i n gm o d e l w et a k ead c ap r o t o c o lf o r e x a m p l et ov a l i d a t eo u rm o d e l t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ts i m u l a t i o nr e s u l t s m a t c ht h ea n a l y t i c a lr e s u l t sv e r yw e 王l 。w h i c hi n d i c a t e st h a to u r 砸o d e li s a c c u r a t e b a s e do nt h er e s e a r c ho fw i e l e s sc o g n i t i v er a d i ot e c h n 0 1 0 9 y ，w e 主n t r o d u c eiti n t ot h em & 缎ca n dd ( 1 ap r o t o c o 王i n 形主r e l e s s 四e s hn e t w o r ka n d p r o p o s et h ec w m n 一叮雌ca n dc w m n d c am u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o lb a s e do nt h e f r e q u e n c yc o g n i ti o n ， i nw h i c hw ea d dad e d i c a t e dc o n t r o lw i n d o wt ob r o a d c a s t t h ef r e q u e n c yi n f o r m a t i o n w eb u i l dt h ec h a n n e lu s er a t i om o d e lo fp r i m e u s e r ， t h ed y n a m i c a lc h a n n e ld e t e c t i o nm o d e lb a s e do nr a n d o mc o g n i t i v e m e t h o d ，a n dt h e no b t a i nt h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no fn e t w o r ks a t u r a t i o n t h r o u g h p u t w i t hr e g a r dt dt h ea c t i v i t yo fp r i m eu s e r ， w ea n a l y z et h e c h a n n e lu s er a ti oa n dt h ei n t e r f e r e n c ei n t r o d u c e db yt h es e c o n d a r yu s e r f o rt h ec o f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，w ea d dt h ec h a n n e lc o g i n i t i o nb e f o r e t h ec h a n n e ln e g o ti a ti o na n dp r o p o s e m a cp r o t o c 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t s c o f r e q u e n c yi n t e r f e n c e t h ec h a n n e lc o g n i t i v em u l t i c h a n n e l s h o wo u rm e t h o di se f f e c tiv e 】i g h t e n 基于环境认知的无线m e s h 网络m a c 协议的研究 d u et ot h ee f f e c to ff a d i n ga n dd i s p e r s i o n ， c h a n n e lq u a l i t yv a r i e sa s t h et i m ec h a n g e ，w h i c hh a st h es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e t h u s ， w eb u i l dt h em a cp r o t o c o lm o d e lb a s e do nt h eg a u s s i a nc h a n n e la n d f a d i n gc h a n n e l b a s e do nt h es t u d yo fr a t e a d a p t a t i o nm e c h a n i s m ，w es t u d y t h e p e r f o r m a n e e o f r a t e a d a p t a t i o nm a cp r o t o c o l a n dp r o p o s et h e o p o r t u n i s t i c d c a p r o t o c o l ， w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v et h en e t w o r k t h r o u g h p u t b a s e do nt h er e s e a r c ho fm u l t i p a t hr o u t ea o d vp r o t o c o l ， w eb u i l dt h e m u l t i p l en e x t h o pm n h 一 n 似cp r o t o c o lb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ei d e a o fn e x t h o pi nr o u t ei n t om a c1 a y e ra n dn d l a o d lr o u t ep r o t o c o lb a s e do n t h ei m p r o v e m e n to fa o d vp r o t o c 0 1 t h e nw ec o m p a r et h en d l a o d v + m n h 一 l m a c p r o t o c o la n da o d v + m m a cp r o t o c 0 1t h r o u g hs i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tn d l a o d v + m n h 一 j m a cc a ni m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c eu n d e rt h e r e l a t i v e l ys c a r ef r e q u e n c ye n v i r o n r n 凸n t k e yw o r d s ：c o g l l i t i v ew i r e l e s sm e s hn e 铆o r k ( c w 心) ；m u l t i - c h 锄e lm a cp r o t o c o l ； s e n s i n g 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均在文 中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活 动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的资 助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课题 或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别 声明。) 声明人( 签名) ：疆移 i 弘蛑驴月形日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法 等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位 论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其 数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、 硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇 编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于 年月目解密，解密后适用上述授权。 ( y ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：後笮修 多护如年莎月谚日 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 1 1 i 认知无线m e s h 网( c w m n ) 的产生背景 无线移动通信由于宽带业务需求的不断增长，正朝着宽带化、i p 化的方向发 展，是当今通信领域应用和研究的热点。无线m e s h 网也称无线网状网【1 】( w i r e l e s s m e s hn e t w o r k s ，缩写w m n ) 是种新型的宽带无线网络，因具有不同于传统无线 网络的特点，在灵活组网、提高网络覆盖率、增加网络容量、减少前期投资等诸 多方面都显现较大的优势，尤其适合在缺乏有线网络资源情况下实现宽带无线接 入和覆盖，目前无线m e s h 网已得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得 到越来越广泛的应用。 随着宽带无线通信业务蓬勃发展，移动用户数与日俱增，数据传输速率越来 越高，对无线频谱资源的需求也相应增长。无线通信的频谱资源短缺问题已经成 为制约宽带无线通信发展的新瓶颈。在传统的固定频谱分配策略下，人们通常是 采用先进的无线通信技术，如正交频分复用、多天线( m l m d ) 、链路自适应等克 服信道衰落及提高频谱效率。但由于时间和地理位置的变化，一些非授权频段的 占用非常拥挤，另外一些已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空 间上存在不同程度的闲置，于是人们在软件无线电的基础上提出了具有动态频谱 接入功能的认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术【2 】，通过从时间和空间上充分 利用那些空闲的频谱资源，有效解决无线通信的频谱资源匮乏的难题。近几年来， 认知无线电技术受到了人们的普遍关注，各国也纷纷开展了这方面的研究，并取 得了不少研究成果。 本论文将认知无线电和宽带无线m e s h 网络相结合，研究一种基于环境认知的 宽带无线网络一认知无线m e s h 删络( c o g n i t j v ew i r e l e s s 】i i e s hn e t w d r k ，c w m n ) ， 它是具有高频谱效率、高度灵活性、宽覆盖范围的新型无线网络。由于微波频段 受限于视距传输，认知无线m e s h 网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入【3 】， 它是一项极具挑战性的研究工作。目前认知无线m e s h 网的研究还在起步阶段【4 】， 我国2 0 0 8 年国家自然科学基金信息科学部调控唯一重点项目就是在认知无线网 基于环境认知的无线m e s h 网络m a c 协议的研究 络，资助经费约8 0 0 万元( 平均重点项目资助强度约1 8 0 万元) ，体现了国家对 此的重视，认知无线m e s h 网是一个新兴的提供宽带连接的划算的技术，由于认知 无线电技术能够接入大量的频谱，因此认知m e s h 网将会配置在那些可能有严重的 线路争用情况的人口稠密的市区、网络覆盖范围增加或紧急通信网络。 1 1 2 无线m e s h 网络发展背景 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，缩写w m n ) 【5 】【6 】同，是一种由多种 类型节点构成的、具有网状拓扑( 或多点对多点，m u l t i p o i n tt om u l t i p o i n t ， m p m p ) 结构的、多跳的、自组织和自管理的无线网络架构和移动宽带、无线定位 等特点，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络，被看成是i n t e r n e t 互联网 的一种无线版本。 无线m e s h 网不是一项可以单独成系统的技术，无线个域网、无线局域网、无 线城域网和无线广域网都是它可以发挥作用的舞台。从某种意义上讲，无线m e s h 网络主要的是一种网络架构思想，由于其网络技术具有很强的应用相关性，网络 拓扑、节点类型、组网方式等在不同的应用场合下都会有所不同，甚至有较大差 异。 在无线m e s h 网络节点可分为两类：m e s h 路由和m e s h 客户端节点，其中m e s h 客户端节点既是通信终端又可具有路由功能，但是不能充当网关和网桥。作为网 关和网桥的m e s h 路由器可使m e s h 网络和其他的无线网络相集成，用户节点以无 线a dh o c 多跳方式实现与网关的链接，通过网关可以访问因特网。 无线m e s h 网出现大约在2 0 世纪9 0 年代中期，早期的研究均源于移动a dh o c 网络的的研究与开发，2 0 0 0 年1 月成立的m e s h n e t w o r k s 公司( 已被m o t o r 0 1 a 收 购) ，其最主要的技术就是具有自组织功能的无线m e s h 网络技术，其来源美国国 防部高级研究规划署( d a r p a ) 资助、美国i t t 公司负责研发的战场通信应用系统。 2 0 0 0 年6 月，m e s h n e t w o r k s 公司获得该技术的使用授权，并开始研发相关商用和 民用产品及解决方案。与此同时，电信业巨头n o k i a 、英国的r a d i a n tn e t w o r k s 等欧洲的一些公司也都开始进行无线m e s h 网络的研究，陆续搭建起商用试验网络。 2 0 0 4 年1 月，i e e e 8 0 2 1 1 标准工作组【8 9 ，1 0 ，11 1 专门成立了网状研究组( m e s hg r o u p ) ， 这标志着w m n 技术正式迈上标准化道路，目前无线m e s h 网络标准可参见8 0 2 1 1s 、 2 第一章绪论 8 0 2 1 5 ，1 2 3 4 、8 0 2 1 6 和8 0 2 2 0 。目前无线m e s h 网络技术正在世界范围内得 到越来越多的应用，并在美国、英国、俄罗斯、中国、日本、韩国、澳大利亚等 全球多个国家和地区进行了实施和应用，摩托罗拉、北电网络及其他一些中小企 业已经可以提供无线m e s h 网的产品，2 0 0 5 年中国台湾省的台北、高雄市已经采用 了北电的无线m e s h 网解决方案建立无线城域网，2 0 0 7 年6 月厦门大学海韵园采用 美国阿德里亚公司的技术方案，建立校园的无线m e s h 网【1 2 】。 相比传统无线通信网络点到多点的网络结构，无线m e s h 网络具有高可靠性， 好的市场覆盖率，可扩展性和低的前期投入等优点，在民用和商业领域有广泛的 应用前景。 1 1 3 认知无线电( c r ) 的发展背景 “认知无线电”( c o g n i t i v er a d i o ，缩写c r ) 的概念始于有“软件无线电之父 之称j o s e p hm i t o l a 博士在1 9 9 9 年发表的篇论文，并在2 0 0 0 年的他的博士论 文中i 迸一步系统地阐述了认知无线电这一全新概念雎引。认为软件无线电( s o f t d e f i n er a d i o ，s d r ) 是实现认知无线电的理想平台，认知无线电是s d r 的智能化。 认知无线电可以通过无线电知识表示语言( 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 ) ，基于模型的推理方法与网络进行智能的交流。 m i t o l a 对认知无线电的认知强调其学习和推理能力，认为认知无线电系统能 够通过学习，不断感知无线环境的变化，并通过自适应地调整自身内部的通信机 理来适应无线环境的变化。他在【2 f 中提出认知循环的概念，包括一系列认知学习步 骤一检测、分析、调整、推理、学习等能力。 认知无线电的概念虽新，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。典 型的例子有：工作于4 5 删z 左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免 使用已占用的信道；免授权的个人通信业务设备在传输数据之前预先侦听频谱的 占用情况，以避免对其他免授权设备造成干扰；工作于5 g h z 频段的i e e e8 0 2 1 1 a 网络采用动态频率选择和发送功率控制机制，避免与雷达信号互干扰。 认知无线电技术对现有为特定地理位置的特定用户分配特定频段的无线频谱 固定分配方式提出了挑战，一些频率管理部门如美国联邦通信委员会( f c c ) 给予了 积极的支持，并采取了重要措施促进频谱政策向灵活动态的方向发展。美国联邦 3 基于环境认知的无线m e s h 网络m a c 协议的研究 通信委员会( f c c ) 于2 0 0 2 年1 2 月提出非授权设备应具备识别未占用频谱的能力， 又于2 0 0 3 年给出了认知无线电的狭义定义【1 4 】。f c c 认为：“认知无线电是能够通 过与工作环境的交互，改变发射机参数的无线电”。并提出干扰温度的概念，于 同年1 2 月成立工作组修正了美国的电波法，明确只要具备认知无线电的功能， 即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带。一 些标准化组织先后开始制定一系列标准推动认知无线电技术的发展【l5 1 。2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 正式成立了i e e e 8 0 2 2 2 工作组，是第一个世界范围的基于认知无线电技 术的空中接口标准化组织【l 引，它研究基于认知无线电的物理层、媒体访问控制( m a c ) 层和空中接口，特定的电视广播信道和保护频带被用于i e e e 8 0 2 2 2 中的固定点对 多点无线区域网络( w r a n ) 的通信，其基站运用一种独特的分布式感知特性，以确 保合适的授权用户保护和指导各类客户端设备( c p e ) 进行分布式感知行为。2 0 0 5 年 1 月确定了i e e e 8 0 2 1 6 h 标准致力于解决共存问题，确保w i m a x 的非授权系统之间 以及与授权系统之间的共存，制定了在i e e e 8 0 2 1 6q o s 要求下，让多个系统共用 资源。 2 0 0 5 年s i m o nh a y k i n 【3 】则从信号处理的角度出发，给出了认知无线电的广义 定义：认知无线电是一种智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工 智能技术从环境中学习，有目的地通过实时改变某些操作参数( 比如传输功率、载 波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，从而 实现在任何时间任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源 高效的利用。 2 0 0 6 年1 2 月，提出i e e e8 0 2 1 1 y 标准草案，应用频段是3 6 5g h z 3 7g h z 频段，这个频段是2 0 0 5 年7 月f c c 将原来用于卫星服务网络的频段向公众应用开 放，允许i e e e8 0 2 1 1 网络通信并移动到任何新的频率，改变频谱覆盖用以提高 性能或使用者的容量，通过多种基于能量和基于特征的频谱感知技术和动态频率 选择技术，这些机制有利于动态频谱交换的实现和其他认知应用共存问题的解决。 当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学 者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线 电的重要研究项目。如德国k a r l s r u h e 大学的f k j o n d r a l 教授等提出的频谱池 系统、美国加州大学b e r k e l e y 分校的r w b r o d e r s e n 教授的研究组开发的c o v u s 4 第一章绪论 系统1 7 1 、美国国防部高级研究计划署( d a r p a ) 的x g 项目【1 8 】、欧盟的e 2 r 项目等。 d a r p a 在2 0 0 7 年8 月，进行有2 5 个x g 节点的系统现场实验。 认知无线电技术被认为是未来无线通信技术的“下一件大事 ，已逐渐受到人 们的普遍关注，可以预见在未来几年我们将看到更多具有认知无线电技术的网络 设备的出现。 1 2 认知无线m e s h 网络的定义 本论文将认知无线电的广义概念应用于宽带无线通信系统，使用人工智能技 术从环境中学习的思想引入到通信系统的各层中，研究基于环境认知的宽带无线 网络，它是宽带无线网络发展的必然，并将此概念应用于无线m e s h 网中，对基于 环境认知的无线m e s h 网，简称认知无线m e s h 网( c o g i t i v ew i r e l e s sm e s h n e t w o r k ，缩写c 删) 进行研究。 本文认为认知无线m e s h 网的定义为：在认知无线m e s h 网络中，原有的无线 m e s h 网中的路由器和客户端节点都增加认知无线电功能( 分别在物理层、m a c 层、 路由层及应用层增加功能) ，即增加了认知能力和重配置能力。认知无线m e s h 网 中的节点可以从它的无线环境中捕捉和感知信息，捕捉无线环境中时间的和空间 的变化以及避免对其他用户产生干扰，通过认知能力表现在能实时与它所处的环 境进行交互，从而决定合作的通信参数并适应动态的无线环境；重配置能力是指 对无线m e s h 网络进行调整的能力，如频谱、调制、传输功率和通信技术等，重新 配置这些参数，使用合适的发射机和接收机参数、合适的媒体接入协议、传输协 议和网络协议等参数，使得无线m e s h 网络可以根据无线环境动态操作。 1 3 认知无线m e s h 网的特点 认知无线m e s h 网络，由于其独特的环境认知、频谱复用性和巨大的覆盖范围 等，呈现出一些不同以往传统无线m e s h 网络的特点： 1 3 1 认知能力 认知无线m e s h 网络具有提供环境信息和决策依据的认知能力，其认知核心是 认知引擎，即认知能力。认知引擎在网络中模拟、学习、优化，从环境中获取信息， 得到影响系统性能的环境数据。一方面，依据当前环境提出对物理层、数据链路 5 基于环境认知的无线m e s h 网络m a c 协议的研究 层、网络层、传输层及应用层的优化决策；另一方面，用户可以根据网络需求和 应用的相关信息，来指导认知无线m e s h 网络使其达到最优化。 1 3 2 多用户共享频谱资源 在认知无线m e s h 网络中，存在多用户共享频谱资源，它是认知网络中最重要 的技术，机会式频谱利用的核心就是频率共享，它主要包括动态频谱分配和动态 频率接入，这是m a c 层的问题，也是本文所要讨论的问题。频谱共享既包括认知 用户与主用户的频谱共享，也包括认知用户之间的频谱共享。 1 3 3 重配置能力 认知无线m e s h 网通过认知引擎，得到环境认知的数据，进行相应操作参数的 重配置能力。如依据环境认知的数据，系统有能力改变工作频谱，调制方式、传 输速率、路由选择、传输功率等，以达到最优化自身性能以支持用户需求。 1 3 4 多信道支持能力 由于存在授权频段与非授权频段之分，必须采用多信道能力使主用户需使用 授权频谱时，次用户可以及时地让出频谱；同时多信道也可更好地解决隐藏终端 和暴露终端问题，改善系统性能，支持更多的用户使用并占据更广的覆盖面，它可 以在一些控制帧中指示用户终端哪些信道可以供使用，而次用户则相应地采用多 信道方式工作，具有能够处理跨越多个子信道的上下行传输能力，并且随着信道 数量和质量变化及时调整调度工作，多信道的使用同时也提高了带宽利用率。 1 3 5 多系统共存 共存问题包括两个层次：一是对主用户系统的干扰问题；二是对于重叠区、 部分重叠区内认知网络实体的共存问题。为避免对主用户的干扰，分布式频谱感 知、测量、检测算法以及频谱管理等认知无线电技术所特有的功能都必须加以考 虑。现实中，作为广域覆盖范围的多个认知无线电m e s h 小区之间很有可能会发生 部分重叠，最坏情况下甚至完全重叠。由此引发的白干扰问题如果不能得到解决， 将会严重影响认知无线m e s h 网络工作。 6 第一章绪论 1 4 认知无线m e s h 网的协议体系 根据认知无线m e s h 网络的特点，认知无线m e s h 网络应该是支持多信道多接 口，即支持单网卡多信道或多网卡多信道的网络。可实现单网卡多信道的协议， 或多网卡多信道的协议，由于网络中节点具有一个或多个无线电接口( 如网卡) ， 可同时接入一个或多个无线信道，节点具有感知无线环境的功能，可以判断信道 的使用情况，选择相应的信道接入，正是这个突出特点，使得认知无线m e s h 网络 硬件及协议设计与传统无线m e s h 网络有很大不同。本节根据认知无线电的协议体 系1 1 9 】与m e s h 网络( w m n ) 协议1 2 0 】，建立认知无线m e s h 网的协议体系，它是基于通 用的0 s i i s o 协议栈结构，其参考结构模型如图卜1 所示。这个协议栈结构仅对 物理层及数据链路层进行定义，针对c w m n 的典型实体：路由器节点和客户端节点， 基于i e e e8 0 2 1 1 标准下修改建立的协议体系。 路由器节点 客户端节点 传输层 改进犁w m r 机会使用模块 机会分配模块 m il c i 机会识别模块 l控 制 i 逻辑链路控制 信 道 敬捌链路层 l 数据传输 l l 信道估计 l 物理层 l 频谱感知 l 1 4 1 物理层 图卜1c w m n 协议参考模型 c w m n 的物理层，具有对传输环境的感知功能，即增加频谱感知功能和信道估 计模块。系统内认知用户之间的控制和感知信道是通过公用控制信道来实现传送。 频谱感知：检测时间、频率、空间上的可用频谱，以确定目前可用于发射和 接收的信道，通过本地频谱感知技术以及分布式检测等方法，采用频谱空穴检测 7 基于环境认知的无线m e s h 网络m a c 协议的研究 方法来可靠地感知大带宽范围内的各子信道是否占用，若对于授权频段，使认知 用户能够在对主用户系统不造成干扰的情况下接入空闲的频段，充分利用有限的 频谱资源；对于非授权频段，能够进行动态频率选择，保证c w m n 网络的工作频段 不受其它类设备干扰的影响，同时也降低对其它设备的干扰，即解决共存问题。 信道估计：估计通信的用户之间的信道质量、发射参数( 发射功率、比特率、 编码方式等) ；建立链接后，通过分析通信过程中接收到的数据包不断地估计子信 道的质量。 数据传输：最优地使用由频率检测和信道估计，来确定可用频率，进行数据 传输。因此，要求物理层能够工作于多种变化的符号速率、调制类型、信道编码 方案、功率级别，而且多使用m i m o 多天线。 通过物理层发送和交换频谱利用信息，与物理网络上的其它成员协调频谱资 源分配，确保选择频率在收方是可用的，在发端也不会造成信号阻塞。 1 4 2 数据链路层 数据链路层是提供通信对象间的数据传输、同步和差错控制等。数据链路层 分为两个子层，即逻辑链路控制( l l c ) 子层和媒体访问控制( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 子层。 认知无线m e s h 网的逻辑链路控制子层主要是负责认知用户之间的通信建立和 链路维护，如网络层中的寻址、排序、流控和差错控制等。链路层基于感知信息、 信道估计或者用户法规要求等，选择一组子信道用以建立链接。在物理层感知到 主用户意图使用这些信道时，链路层要换到新的信道以免影响主用户并维持自身 通信。 m a c 子层主要为了有效进行通信，完成数据的收发，解决多个用户如何高效共 享一个无线链路资源。认知无线m e s h 刚的m a c 协议是系统中比较有挑战性的部分。 在认知无线m e s h 网中，m a c 应能根据“感知”到的操作参数来动态地修改m a c 层， m a c 子层要能够提供多个认知用户并发接入一个链接的能力，且可根据给定服务质 量和用户配置来最优化通信资源的使用，一个好的m a c 协议需要使各个节点按照 某种机制接入信道，有效地避免信道上的碰撞，大大提高频谱利用率。在c w m n 协 议中使用c s m a c a 是有效的，但还需进行修改。首先c 刺的m a c 协议必须是多信 8 第一章绪论 道协议，采用多路复用和多路访问是c w m n 的m a c 中采用的两种基本方式；其次， 增加机会识别模块、机会分配模块、机会使用模块。 机会识别模块：决定可用的传输机会集并加上相应的约束条件。通过在m a c 子层建立频谱池数据库，与物理层的频谱感知模块相对应，频谱池数据库中频谱 数据是动态的、随时间变化，可解决频谱资源共享；通过进行信道估计，掌握信 道质量情况，采用最佳速率进行，提高系统的吞吐量；还可通过路由感知，采用 多个下一跳，以提高路由选择。由于认知用户在时间和空间上不连续的特性，机 会识别模块是很重要的，机会识别是一个分布式工作，包括机会感知、鉴别，可 用机会并赋予约束条件( 比如时间窗口，最大功率和发射参数) ，向目标地区分发 信息等内容，如在m a c 层采用多信道协议、机会自适应协议和多个下一跳的多信 道协议。 机会分配模块：以分布式方式将机会识别模块确定的可用机会分配给认 知节点，它使用机会信息和约束条件创建一个机会分配表( 如动态频谱分配表、多 个下一跳表及多个速率自适应调整机制) 。它们实际上可以是几者结合。 机会使用模块：指的是在给定的机会上进行通信的物理层机制，它要负 责记录机会使用机制和收发机参数上下限值。此功能模块的作用是确保一个数据 包在满足约束条件下尽可能快地传送，如后续提到的多信道、频谱随机感知策略、 频谱协商感知策略及多个下一跳感知策略。 1 5 认知无线m e s h 网的m a c 协议设计理念上的变革 由于认知无线m e s h 网是基于环境认知的宽带无线通信系统，具有独特的环境 认知能力、多用户共享频谱资源、多信道支持能力、重配置能力及多系统共存等 不同与传统m e s h 的特征，这些特征给认知无线m e s h 网带来巨大的技术实现上的 挑战，除了在物理层上频谱感知和信道估计外，还在介质接入控制( 姒c ) 、动态 路由等方面遇到新的关键技术难题，对环境感知使认知无线m e s h 网络在设计各个 协议层时采用与传统不同的设计理念，并且在不同协议层产生相互影响，需要进 行层间联合优化设计，认知无线m e s h 网的m a c 协议设计主要有以下设计理论上的 变革。 9 基于环境认知的无线m e s h 网络m a c 协议的研究 1 5 1 认知无线m e s h 网的多信道m a c 协议的数学模型 由于频谱资源受限，多用户共享频谱资源，认知无线m e s h 网由于存在授权频 段与非授权频段、信道质量好坏之分，要选择最佳的信道，首先必须具有多信道 支持能力，可以进行信道间的切换，因此建立认知无线m e s h 网的多信道m a c 协议 的数学模型，进行性能研究就显得极为重要，它是认知无线m e s h 网的m a c 协议的 研究基础。无线网络中m a c 协议的数学模型主要是以单个节点在信道上退避行为 建立数学模型，以b i a n c h i 提出的二维m a r k o v 模型为主，但它的模型较为复杂， 且是针对单个节点单个信道进行建立的数学模型，因此针对认知无线m e s h 网需要 建立多个节点在多个信道上退避行为的占用信道情况的数学模型，对网络的吞吐 量、节点数及数据传输速率等性能进行分析和评价。 1 5 2 环境感知的m a c 协议设计 认知无线m e s h 网第一个环境感知是进行频谱感知，得到频谱感知的环境数据。 频谱感知主要分为频谱侦听和主用户检测。频谱侦听的目的是发现在时域、频域 或空域上的频谱空穴，它们具有不同的诸如中心频率、带宽等动态频谱特性，且 可能被使用的时间长短也不同。根据用户对频谱使用的权限分为： ( 1 ) 主用户或称授权用户：那些得到授权、在法律上拥有这些频谱资源使用 权的用户称为主用户( p r i i i l a r yu s e r ，p u ) ； ( 2 ) 次用户( 认知用户) 或为非授权用户：那些需要临时使用授权频谱资源、 但又没有得到授权的用户统称为次用户( s e c o n d a r yu s e r s ，s u ) 。 由于次用户相比主用户具有更低的频谱接入优先权，为不对主用户造成有害 干扰，次用户需能够独立地检测出空闲频谱及主用户的出现。这就要求次用户能 够实时地对主用户检测，对主用户不造成有害干扰，且可靠检测概率要求达到 9 9 9 【4 2 1 。根据用户的需求，根据决策准则，判决出条件最好的频带，本论文的第 三章就是对基于频谱感知的m a c 协议的研究，建立如随机频谱感知策略、协商感 知及频道感知等频谱感知的m a c 协议。 认知无线m e s h 网第二环境感知是进行信道估计，得到信道质量感知的环境数 据，设计一个有效且高效的利用频谱的自适应策略，进行信道速率的自适应调整， 如：当前环境不能达到用户要求，则可选择一个另外一个更好的信道质量来提高 1 0 第一章绪论 通信的性能，并针对不同场景如高斯信道和衰落信道进行相应的速率自适应m a c 协议的研究。本论文的第四章建立的机会速率自适应的多信道m a c 协议。 认知无线m e s h 网的第三环境感知是进行路由感知，由于认知无线m e s h 网络中 频谱在时间和空间上的间断性，网络拓扑和节点间的连接性与传统网络有很大不 同。相邻的节点可能因为工作在不同的信道上而无法通信，正在通信的节点对也 可能会因为主用户的出现而中断连接。因此，认知无线m e s h 网的路由设计面临着 传统网络所没有的挑战，提高路由协议的效率具有重要意义。本论文在第五章是 研究基于路由感知的认知无线m e s h 网的多信道协议，是将路由的多个下一跳的思 想引入到m a c 协议中，在保持网络连通性和空间复用之间进行折衷，维持最优的 网络拓扑，提高频谱资源利用率。 除此之外，针对无线电地理定位和时间的位置感知的协议设计，用户认知业 务( 如门房业务、语音和语言处理业务) 的协议设计，干扰感知( 不对主用户造 成干扰) 的功率控制协议设计，认知无线电系统安全等环境感知的研究也逐渐成 为人们关注的热点问题。 1 5 3m a c 协议的跨层设计 传统的无线m e s h 网络一般遵照0 s 1 分层模型来进行设计，其影响力已渗透到 几乎所有的通信和计算网络的设计中，然而由于认知无线m e s h 网的环境认知，按 照严格的分层概念、单靠某层协议功能来进行认知无线m e s h 网中的某些情形往往 会碰到难以逾越的困难。因此，采用跨层设计，使层间相互配合和联合优化，进 行认知无线m e s h 网络协议的设计。如频谱感知需要m a c 层的技术以提高感知的准 确度，频谱决策需要结合应用层的用户需求，路由设计需要跟m a c 层一起进行设 计以提高连接的稳定性和吞吐量，频谱切换需要跟传输层的拥塞联合以提高端到 端的通信性能，认知无线m e s h 网络需要各层的跨层设计，认知无线m e s h 网的跨 层设计是个很重要的议题。本论文的第三章是研究基于频谱感知的认知无线m e s h 网的多信道协议的研究，是物理层与m a c 层之间的跨层设计；第五章是研究基于 路由感知的认知无线m e s h 网的多信道协议，是路由层与姒c 层之间的跨层设计。 基于环境认知的无线m e s h 网络m a c 协议的研究 1 6 论文研究内容及结构安排 1 6 1 选题动机 本人在博士生期间，先后主持和参与了多项科研项目，其中与论文相关的项 目有：2 0 0 1 2 0 0 4 年主持福建省自然科学基金资助“软件无线电数字中频高效滤 波技术的研究项目，2 0 0 4 年2 0 0 6 年参与“大容量点对多点接入分系统的研制” 军工型号项目，2 0 0 5 年2 0 0 6 年主持京信基金“宽带无线移动系统基带传输通用 平台研制”项目，2 0 0 5 2 0 0 6 年参与美国高通( q u a l c o m m ) 清华大学一厦门大学国 际合作项目“a d h o c 无线网络的跨层设计研究”，2 0 0 6 2 0 0 7 年参与美国高通一 清华大学一厦门大学国际合作项目“无线m e s h 网络的跨层设计及网络安全的研究 ， 2 0 0 7 年参与建设基于8 0 2 1 1 协议的的无线m e s h 网络( w m n ) 的厦门大学海韵园实验 网，2 0 0 7 年2 0 0 8 年参与美国高通一清华一厦大国际技术合作项目“基于环境的 宽带无线网络架构与关键技术研究”。在这些科研项目进行的基础上，从对软件 无线电的研究、a dh o c 网络的研究、无线m e s h 网的研究到认知无线电的研究，得 到了一个研究思路，将认知无线电技术应用于无线m e s h 网，进行深入研究，由于 参与军工项目研究主要是对m a c 协议进行研究，为此，主要围绕认知无线m e s h 网 的m a c 协议进行研究。 认知无线m e s h 网有着移动性、可扩展性等许多优点，但主要制约因素可以归 纳为： 1 ) 首当其冲为物理层因素。由于认知，可用频谱随着时间变化有着不同的特 性，且其为无线信道，因此检测频谱技术是一重点。 2 ) 其次是m a c 子层因素。