（信息与通信工程专业论文）认知ofdma系统的多接入控制及载波分配.pdf

浙江大学硕士论文摘要 摘要 认知无线通信是解决当前频谱资源匮乏，频谱利用率低的关键技术。认知无 线电技术是建立在软件无线电技术的基础之上，实现认知用户与授权用户共存的 无线电技术。本文首先介绍了认知无线电的特点，然后重点针对分布式认知 o f d m a 协议的多接入控制方法和载波分配算法方面展开研究，最后讲述了分布 式认知o f d m a 协议设计及其硬件平台设计。 分布式认知o f d m a 系统中的多接入控制是系统实现的关键技术。分布式认 知多接入控制存在收发双方空闲信道互不确知以及多用户隐藏终端问题。本文首 先具体分析了分布式认知o f d m a 系统多接入的特点，并对当前多接入控制的研 究状况及采用的方法深入分析，最后提出了一种时频二维的信令交换方式，收发 双方在交换频谱信息的同时交换传输持续时间，使得收发双方协商共同的传输信 道，并有效避免隐藏终端节点问题，实现收发双方通信链路的快速合理建立。 同时，在载波分配过程中，具体分析了节点在多接入控制中的载波分配问题， 并介绍了目前常用的载波分配的方法。针对该系统的特点，在保证认知用户公平 性的基础上，以最大化系统成功接入概率为目标，在认知节点选择接入载波数目 和如何选择相应的接入载波两个方面，定义了载波数目的选择依据并提出了机会 式多载波接入算法。将机会式多载波接入算法与其他算法比较，仿真表明该算法 具有很好的收敛性和稳定性。最后，本文分析了认知用户数目、认知用户的活动 性、授权用户的载波占用概率和授权用户的统计占用时长对认知系统机会式多载 波接入算法的影响。通过仿真表明该算法在系统环境变化的状况下，仍然可以较 快实现系统的收敛和稳定。 在多用户共享多个空闲频段的分布式系统中，认知用户采用o f d m a 的多址 接入和调制方式可以更好地动态利用频谱资源。本文针对分布式认知o f d m a 系 统的特点进行分析，重点介绍了该系统中收发双方互不确知频谱信息带来的多接 入信令交换问题，以及节点对多个空闲信道的选择引起的碰撞问题。该系统以软 件无线电为依托，将链路的传输控制和信号的处理放在软件无线电平台上实现， 具有很好的传输能力和处理能力。 关键词：认知系统多接入分布式载波分配 浙江大学硕士论文 a b s t f a c t a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i oi st h ek e yt e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e m so fs p e c t r u ms h o r t a g ea n dl o w s p e c t r u mu s a g e c o g n i t i v er a d i oi saw i r e l e s st e c h n o l o g yb a s e do ns o f t w a r ed e f i n e dr a d i ot oa c h i e v e t h es p e c t r u ms h a r i n go fl i c e n s e ds y s t e ma n dc o g n i t i v er a d i os y s t e m n o w , 8 0 2 2 2a n d8 0 2 1 6 jh a v e b e e np r o p o s e dw i t hc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yi nl i n e a n df u r t h e r m o r e ，m o r ep r o t o c o l sw i l lu s et h i s t e c h n o l o g y t h ea r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p to fc o g n i t i v er a d i o ，t h e na n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e dc o g n i t i v er a d i os y s t e ma n dp r o v i d e st h et e s tp l a t f o r m f i n a l l y , m u l t i a c c e s sc o n t r o la n dc a r r i e ra l l o c a t i o nh a v e b e e nr e s e a r c h e d t h em u l t i - a c c e s sc o n t r o li st h ek e yp o i n tt e c h n o l o g yi nt h es y s t e m t w op r o b l e m sa r ep r e s e n t e di n t h em u l t i - a c c e s sc o n t r o li nt h ec o g n i t i v es y s t e m o n ei st h a tt h es e n d e ra n dt h er e c e i v e rm a yd o n tt h e s a m ea v a i l a b l ec h a n n e l ss e ta n dt h e yc 锄te x c h a n g ec o n t r o li n f o r m a t i o na tt h es a m ec h a n n e la tf i r s t t h eo t h e ri st h et r a d i t i o n a lh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m w i t ht h ea b o v ep r o b l e m s ，at i m e - f r e q u e n c y c o n t r o li n f o r m a t i o ne x c h a n g i n gm e t h o di sp r o p o s e d t h et r a n s c e i v e r - r e c e i v e rc o o r d i n a t e sb o t h a v a i l a b l ec h a n n e li n f o r m a t i o na n dt r a n s m i s s i o n t i m et oh a v eam o r es u c c e s s f u l l ya c c e s sp r o c e s s m e a n w h i l e ，t h ea r t i c l ea n a l y z e st h ec a r r i e ra l l o c a t i o ni n m u l t i a c c e s sp r o c e s sa n dl i s t ss o m e p r o p o s e dm e t h o d so fr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nt h el i t e r a t u r e i nt h i sc o g n i t i v es y s t e m ，im a i n l yc o n c e r no n t w op a r t s ：c h o o s i n gc a r r i e rn u m b e ra n dd e c i d i n gt h ea c c e s sc a r r i e r sa n dp r o p o s et w oa l g o r i t h m st o s o l v et h ep r o b l e m s t h ea l g o r i t h m sa i ma tt h em a x i m i z i n gs y s t e ms u c c e s s f u l l ya c c e s sp r o b a b i l i t yt o g u a r a n t e eu s e r s e q u a l i t y o n ea l g o r i t h ms i m u l a t i o ns h o w st h a t t h ep e r f o r m a n c eh a sa no b v i o u s i m p r o v e m e n t c o m p a r e dt om m a ca l g o r i t h mi n t r o d u c e di nt h e4 2s e c t i o n e v e n t u a l l y , f o u rf a c t o r st h a t i m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h ma g ea n a l y z e da n de v a l u a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n s ， i e s e c o n du s e rn u m b e r s ，s e c o n du s e r s a c t i v i t y , p r o b a b i l i t yo ft h ei d l e c a r r i e r sa n ds t a t i s t i c a l t r a n s m i s s i o nt i m eo fp r i m a r yu s e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m c o u l da c h i e v ef a s ts y s t e mc o n v e r g e n c ea n ds t a b i l i t yw h i l es u f f e r i n gf r o mt h ev a r i a t i o no ft h e e n v i r o n m e n t i nt h ed i s t r i b u t e dc o g n i t i v er a d i os y s t e m ，m u i t i u s e rw i l ls h a r em u l t i c a r r i e r , a n dc o g n i t i v eu s e r sw i l l h a v eam o r ed y n a m i cc a r r i e ru s a g ew i t ho f d m am o d u l a t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h en e wp r o b l e m s p r e s e n t e di nd i s t r i b u t e dc o g n i t i v er a d i os y s t e m ，a n dt h e nm a i n l yd i s c u s s e st h em e t h o do fe x c h a n g i n g c o n t r o li n f o r m a t i o nw h i l et h et r a n s c e i v e ra n dr e c e i v e rd o n tk n o we x a c t l ye a c ho t h e r sc a r r i e r a v a i l a b i l i t y m e a n w h i l ec o g n i t i v eu s e r sm a ym a k ec o l l i s i o nw h e nt h e yc h o o s et h es a m ec a r t i e rt o a c c e s sa tt h es a m et i m e t h es y s t e mi sb a s e do ns o f t w a r ed e f i n e dr a d i ot oi m p l e m e n tt h el i n k - l e v e l t r a n s m i s s i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n go nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mw h i c he x h i b i tav e r yg o o dp r o c e s s i n g a b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o na b i l i t y k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i os y s t e m ，m u l t i a c c e s s ，d i s t r i b u t e d ，c a r r i e ra l l o c a t i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝鎏盘堂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谢意。 学位论文作者签名：跨唔娇签字日期：列。年弓月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江太鲎 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和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 孝考矫 签字日期：劢。年弓月7 日 新躲铷章硼陋 签字日期：上。fb 年雩月7 日 浙江大学硕士论文致谢 致谢 首先我要衷心的感谢我的导师张朝阳教授，从本科大四到硕士研究生阶段的 三年里，张老师渊博的专业知识，对学术研究的执着和热忱深深影响着我我非 常感谢张老师在过去的三年时间里对我的教导和关心。在完成项目的过程中，张 老师不仅教会了我们做项目的方法，更重要的是他传达出来那种对待科研的严谨 态度。尤其是阶段性总结的时候，老师总会从一个更高的角度来回顾过去的努力 和成果，让我经常有一种醍醐灌顶的感觉。在工作之余，老师还着力支持丰富我 们的业余生活，增加实验室的集体归属感和凝聚力，我感到非常温馨。 还要特别感谢王培雅、姜松、陈淑宝和林泽同学，感谢你们对我工作的支持 和帮助，感谢我们为项目所做的付出和努力，一起的进步与成长。感谢我们最后 一起度过的一段丰富多彩的读书生活。 此外还要特别感谢已经毕业的杜维硕士，师兄对我的工程项目工作给与了很 多指导，作为一个刚进实验室的学生，开始我对于工程项目诸多繁杂的细节都不 理解，他都不厌其烦的对我讲解并介绍他的心得经验，使我受益良多。 此外，还要感谢还要特别感谢罗海燕、张建敏、陈晓明对我的研究工作的悉 心指导和无私帮助，他们总会在我遇到困难的时候，帮助我分析解决，提出很多 具体的建议，使我非常感动。 此外，还要感谢给我许多帮助的余官定老师、殷瑞、吴可迪、陈少磊以及和 我一起工作过的师弟师妹，包括富饶、唐颖、王秋芳、王联响、张华滋和刘经泽 等。 感谢目前和我共同在实验室工作的各位同学，他们有张昱、王超、闻春燕、 叶露、宫本康和楼文涛等。 最后，我要深深地感谢我的家人长久以来的无私奉献，他们的关爱是我不断 努力的动力和源泉。我在此深深感谢他们。 李雪娇 2 0 1 0 年1 月 浙江大学硕士论文绪论 1 绪论 随着无线通信技术的飞速发展和无线通信的需求增加，越来越多的领域和用 户使用无线通信技术，而传统的无线通信技术已经不能够满足人们日益丰富的生 活需求。同时，无线技术需求量的增加引起了频谱资源的严重紧缺。经过统计表 明【1 】，传统的频谱资源没有得到有效地利用。因此，高效合理地使用有限的频 谱资源是解决目前无线通信的重要课题。本章首先针对认知无线电技术的发展现 状展开讨论，然后提出了认知o f d m a 系统的设计，最后列举本文的贡献和内 容安排。 1 1 认知无线通信技术 随着近年来无线网络的飞速发展，对频谱资源的需求也越来越大。另一方面， 固定频谱分配策略的局限性使得部分频谱利用率很低，造成了大量频谱资源的浪 费，也成为了下一代网络发展的瓶颈。因此，为了满足无线用户的需求和充分利 用频谱资源，j o s e p hm i t o l a 在软件无线电的基础上提出了认知无线电( c o g n i t i v e r a d i o ) 的概念【2 】 3 】。c o g n i t i v er a d i o 是建立在软件无线电基础之上的，其主要 作用是在不影响授权用户通信的前提下，寻找频谱机会进行授权用户间的通信 【4 】。该技术通过感知周边的频谱资源，分析感知到的信息，进行学 - - j 、推理和 规划，根据得到的结果以一定的参数接入空闭可用频谱，并进行有效的数据传输。 图1 1 描述了认知环的结构和流程。 图1 1j o s e p hm i t o l a 提出的认知环 浙江大学硕士论文绪论 认知无线电的概念自提出以来一直受到关注，被视为能够改变现有频谱利用 率低、构建下一代网络的关键技术。f c c 将认知无线电定义为“与环境互动的 基础上调整其发射机参数的无线电”【5 】，从这个定义中，可以看出认知无线电 具有两个主要的特点【6 】 7 】：认知能力和可重配置性。认知能力主要体现在认知 无线电用户能够通过与所工作的无线环境进行交流来寻找出时间上或者空间上 未被使用的频谱资源，这样的频谱资源称为“频谱空洞”，寻找“频谱空洞”的 过程也称为频谱感知；然后对“频谱空洞”进行管理，包括频谱选择，频谱共享 以及频谱移动三个方面。可重配置性是指可以通过编程的方式指定认知无线电设 备工作在不同的频段，只要硬件支持，则能够使用不同的频谱接入技术【8 】，认 知无线电技术的实现是建立在软件无线电的基础之上的。 目前，认知无线电技术的研究和开发已经收到世界各地的广泛关注【9 】。软 件无线电论坛( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i of o r u m ) 成立了c r 工作组，专门开展认知 无线电平台的分析和多模式调整功能的标准工作，国际电信联盟( i t u ) 也在努 力着手研究基于c r 的频谱共享技术以解决频谱日益紧张的矛盾，很多大学的实 验室也开始集中于c r 的频谱感知和频谱管理。 已知的有关c o g n i t i v er a d i o 的协议有8 0 2 2 2 标准提案。i e e e8 0 2 2 2 也被称 为无线区域网络，系统工作在5 1 m h z 8 6 2 m h z 的v h f u h f 频段上未被使用的 t v 信道，在物理层上增加了频谱感知功能，通过本地频谱感知技术来可靠地感 知某时刻、某地区的电视频段上各子信道是否被授权的电视信号占用，以使得认 知用户能够在对授权用户系统不干扰的情况下接入空闲的电视频段，充分利用有 限的频谱资源；非授权用户为基站式控制的认知无线技术在该协议中，基站负 责感知各频段的空闲状况，同时控制各个认知用户的接入。而m a c 层的协议设 计不同于以往，除提供媒介接入控制等传统业务能力，还以共存为主要目的，为 与授权用户共存和保护授权用户提供了丰富的手段。 1 2 分布式认知o f d m a 系统的提出 认知无线通信系统占用的是事先已经授权给某指定系统( 称主用户，p r i m a r y u s e r ) 的频段，而认知用户( 也称从用户，s e c o n d a r yu s e r ) 只能在不影响主用 户的前提下机会式地使用该频谱进行通信。由于主用户为授权用户，因此主用户 对频谱具有优先使用权，不需要考虑从用户的使用状态，并且也无须为对从用户 浙江大学硕士论文绪论 带来干扰而负责。而从用户需要满足对主用户的干扰在一定的约束条件下才可以 选择接入。例如，在v h f u h f 广播波段上共享频谱的t v d t v 广播网络和 i e e e 8 0 2 2 2 无线区域网络( w r a n ) 正是属于此类系统，某频谱的授权用户或 者主用户即t v d t v 广播发射和接收机，而从用户即w r a n 基站和终端。 8 0 2 2 2 1 1 0 协议是- 9 现有的使用较少的广播电视频段共享传输的协议。在该 协议中，基站负责感知各频段的空闲状况，同时控制各个从用户的接入。协议采 用时分多址( t d m ) 的方式控制下行的媒体接入，而使用按需时分多址接入 ( d a m at d m a ) 管理上行的媒体接入。系统使用超帧和帧结构，在每个超帧 的开始，基站都要在所使用的各个电视信道上发送一个前导和超帧控制头，前导 用于系统的同步和信道估计，而超帧控制头中还装载了许多维持系统正常工作的 必要信患。m a c 中使用时分双工( t d d ) 模式，所以帧结构包括上行子帧和下 行子帧两个部分。 8 0 2 2 2 协议是基于集中式控制的，协议的实现需要铺设基站设备，同时，基 站的分布主要是在一些偏远的或者授权用户活动性不强的地方，没有实现授权用 户与非授权用户较好的融合共存另一方面，基站与非授权用户需要在短距离或 视距路线情况下通信以避免信号的较大衰落和带来的传播时延。 为了减少建设非授权系统的建设成本，保证非授权用户，尤其是那些家庭型 用户的有效通信，实现授权用户与非授权用户较好的融合共存，本文设计了一种 分布式的认知o f d m a 网络系统。该系统主要是设计了分布式认知无线的传输 模式流程及制定了物理层和m a c 的传输参数。这些参数包括传输系统的传输模 式，频谱的可用性，用户的行为或者状态，在某些频段的噪声和干扰，其他用户 带宽的感知等。 基于o f d m a 的c o g n i t i v er a d i o 分布式系统是在无线分布式的认知系统中采 用o f d m a 调制多址方式和分布式网络架构的无线认知网络。该认知网络是在 保证对授权用户一定干扰限制的情况下，实现对频谱高效使用的系统网络。认知 用户接收外界无线环境，对接收到的信号进行频谱分析，将分析的结果与无线信 号一起估计和预测信道状况。认知用户完成分析与预测后，将得到的频谱空闲信 息、当前活动认知用户数以及信道状况信息综合起来，制定合理的频谱和功率分 配机制，并将分配的频谱和功率以电磁波的形式发送出去具体流程如图1 2 所 浙江大学硕士论文绪论 不。 图1 2 认知环示意图 1 3 本文的主要贡献和论文结构安排 认知无线电技术解决当前频谱资源匮乏，频谱利用率低的问题。认知节点通 过对当前频段内的信号感知，可以得到授权用户对频谱的占用情况，并选择空闲 的频谱传输数据。此时，多用户共享多个空闲频段的分布式系统中，认知用户采 用o f d m a 的多址接入和调制方式可以更好地动态利用频谱资源。 本文主要针对分布式认知o f d m a 系统，研究了该系统的多接入控制及载 波分配方法。本文的贡献主要有： 1 设计了分布式的认知o f d m a 系统，在该系统中，每个认知用户都配备一 个半双工的收发机，动态地切换载波，实现载波侦听或信息发送；各认知用户在 加入非授权系统后，感知频段内所有载波的空闲状态，并得到其他认知用户使用 载波的持续时间；当侦听到有数据需要接收时，该认知用户就进入接收数据状态； 如果该认知用户需要发送数据，将根据认知系统当前活动用户数和空闲载波数目 确定用户接入的载波数目n ，认知用户根据接入概率表选择概率最大的n 个载波 接入，每次接入完成后，用户根据接入概率表更新算法更新接入概率表。在n 个载波上发送频谱协调请求包，包中携带了选择接入的载波数目、可用载波集及 数据传输的持续时间，接收端在自己可用的子载波上接收到发送端的频谱协调请 求包，结合自己的可用载波状况，确定双方共同通信的载波，并将最终确定的载 波数、载波集及持续时间以频谱协调响应包的形式反馈给发送方。如果在交换协 4 浙江大学硕士论文绪论 调信息的过程中多个用户抢占同一个载波，此时用户之间的频谱协调请求包或者 频谱协调响应包发生碰撞，一旦发生碰撞，视为此次接入失败。收发双方确定通 信链路后开始传输数据信息，数据传输采用正交频分多址的接入方式。 2 设计了收发双方时频二维的链路建立方式收发双方在传输数据的过程 中，由于没有公共的控制信道用于交换控制信令，发送端将在接入载波上向接收 端发送频谱协调请求包，包中携带发送端选择接入的载波数、发送端空闲载波集 及数据传输的持续时间，接收端在自身节点的空闲载波上侦听频谱协调请求包 后，将控制包接收下来，并由接收端选择双方都空闲的载波，并在最终选择的载 波上传输频谱协调响应包回馈确认载波选择信息及持续时间，通知发送端彼此共 用的载波链路，发送端收到频谱协调响应包后发送频谱协调确认包，同时广播出 去告诉邻居节点更新虚拟载波侦听标识。 3 在多个认知用户感知到多个空闲载波的情况下，定义了节点接入载波数日 依据并提出了机会式多载波接入算法。其中，载波接入数目n 是在保证用户间公 平性的情况下最大化用户成功接入概率的一个参数值，由当前可用的子载波数目 和当前处于活动状态的认知用户数共同决定。在确定了接入载波数目情况下，每 个节点根据机会式多载波接入算法选择自身的接入载波。在该系统中，每个认知 用户都具有一张接入概率表，表示该用户对所有空闲子载波的接入概率；表中接 入概率的初始值为用户随机选择载波的概率值；每个用户都将选择接入概率表中 概率最大的n 个载波选择接入；每次接入完成后，用户根据接入载波的成功与否 更新接入概率表，增加接入成功载波上的接入概率值，减少接入失败载波上的接 入概率值，用户通过接入概率表更新算法不断更新自己的接入概率表，最终每个 用户都将选择自己更加容易成功的载波选择接入，从而避免碰撞。 本文的内容安排如下： 第一章简要介绍认知无线通信的特点，重点讲述了分布式认知o f d m a 系 统技术的提出背景，最后是本文的贡献和论文结构安排。 第二章针对分布式认知o f d m a 系统的多接入特点提出了时频二维的信令 交换方式，实现收发双方链路的建立。在接收端收到协商信令的情况下，由接收 端最后决定双方共同通信的信道。同时，本文提出了接收端确定共用信道的规则。 第三章首先对载波分配的常用方法做了分析，然后针对本系统的特点将该载 5 浙江大学硕士论文 绪论 波分配算法与多接入控制相结合，提出了机会式多载波接入算法，该算法通过接 入概率表来描述每个认知用户对各空闲载波的接入偏爱程度，用户在某一个载波 上越容易成功地接入，那么偏爱程度越大，接入的概率值越大，反之越小。每个 用户都会选择更容易成功接入的载波进行接入，实现系统更大的成功接入概率， 最后对影响认知系统成功接入的几个因素作了分析，并给出仿真图验证。 第四章着重讲述了分布式认知o f d m a 系统的结构设计和系统流程，重点 从物理层和数据链路层两个层面上介绍了该系统的协议结构和实现，最后针对实 现该协议的软件无线平台展开分析。 第五章对全文进行总结并展望未来工作。 浙江大学硕士论文认知o f d m a 系统的多接入控制 2 认知o f d m a 系统的多接入控制 目前主流的分布式网络协议是8 0 2 1 1 的家庭无线局域网结构。8 0 2 1 1 体制 是竞争接入体制，各个节点在共享信道中通过二进制退避载波侦听等方法接入 信道，各个用户按照一定的公平性和随机性原则在一定时间内接入，一旦侦听到 其他节点接入成功，为不干扰链路的正常工作，处于退避状态，在链路完成传输 后，各节点再重新竞争接入下面对8 0 2 1 1 协议作出分析和介绍 2 1 分布式认知o f d m a 系统的多址接入 2 1 1 分布式通信系统接入方法 i e e e 8 0 2 11 d c f ( 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 ) 分布式协作方式采用载 波监听多路访问冲突避免c s m a c a ( 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 ) l 均控制机制【1 l 】，解决同一时间内多个用户同时竞争传输介质的问题。 c s m a c a 主要存在两种工作流程：一种是基本的传输流程，另一种是 r t s c t s 的握手流程。 在c s m a c a 访问机制中，当一个节点需要传输数据时，它需要先侦听信道 的状态。如果信道被占用，那么该节点延迟发送。如果信道空闲一个特定的时间 d i f s ( d i s t r i b u t e di n t e rf r a m es p a c e ) ，那么节点就被允许传输。接收的节点通过 接收包里面的检错码c r c 来检查数据的接收，然后给发送端发送a c k 确认信 号。如果发送端正确收到a c k ，那么当前信道可以使用，没有冲突发生，数据 传输成功。如果发送端没有正确接收到确认信号a c k ，它将重传数据直到收到 a c k 或者经过一定时间的重传后将包丢弃。当系统负载不重时，即节点数目较 小时，该协议流程非常有效。 但是当节点数目比较多时，总是存在不同节点在相同的时间选择同一个信道 从而造成冲突，为了减少节点冲突的概率，协议定义了虚拟载波侦听的机制。节 点在传输数据包前首先需要发送一个短的控制包r t s ( r e q u e s tt os e n d ) ，包括 源节点地址、目的节点地址、传输的持续时间( 包括传输数据包及a c k ) ，如果 信道空闲，目的节点将反馈一个c t s ( c l e a r t os e n d ) ，包含相同的持续时间。发 送节点正确接收到c t s 后，才开始传输数据。利用r t s c t s 握手( h a n d s h a k e ) 程 序，确保在后续时间内传输数据不被碰撞。同时由于r t s c t s 封包都很小，数 浙江大学硕士论文认知o f d m a 系统的多接入控制 据传输失败引起的无效开销变小。所有接收到r t s 、c t s 的节点设置它们的虚拟 载波侦听指示n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) ，在给定的持续时间，与物理载 波侦听相结合使用该机制减少了隐藏节点和暴露节点的问题。由于r t s 和c t s 为短帧，因此可以减少冲突的负荷，因为在发生冲突的时候，传输短控制包比传 输整个包识别的快 c s m a c a 通过这两种方式来提供无线的共享访问，这种显式的a c k 机制 在处理无线问题时非常有效。 2 1 2 分布式认知o f d m a 系统多接入的特点 传统的多接入控制主要分三种类型，分别是随机接入方式、按需分配方式和 固定分配的接入方式其中，常用的随机接入方式主要有a l o h a 和c s m a c a 两种，针对分布式的认知系统，本文设计一种基于c s m a c a 接入机制的机会式 多载波链路层接入方法。在传统的c s m a c a 机制中，各用户随机选择信道引发 较大的数据冲突，大量的重传不但浪费传输时间，也消耗了节点很多功率。同时 每个节点不断学 - - j 得到合理的退避时间和检测周期、检测窗口也需要一个较长的 时间，这对授权用户随时可能会到达的机会式接入的非授权用户而言是很不利 的。 在分布式的无线系统中，节点之间通过专用控制信道交换信令。采用专用控 制信道的优点是在任何时刻，节点都可以通过在专用公共信道交换控制信息。但 在认知系统中，由于主用户的动态活动性以及认知系统收发两端所处环境不同， 所感知到的频谱特性不完全相同，因此双方在不完全确知对方信道状态的条件 下，没有固定的公共可用的控制信道，无法进行有效的数据传输，同时采用公共 控制信道还存在网络流量低，信道的利用率低的问题。因此协议把必要的控制信 息交换采用时分的方式实现，分配固定时隙用于用户交换控制信令，收发双方共 同协商共用的传输信道，提高信道的利用率。在从用户接入的过程中，收发双方 通过交换空闲的频谱资源建立共同通信的传输链路，并且在交换的信令包里携带 数据传输的持续时间来避免隐藏终端的问题，实现时频二维的信息传输。 根据上面的分析可知，在从用户系统中，当只有一对收发节点时，从用户通 过感知主用户的活动性，在不干扰主用户的情况下，发送端和接受端的建立链路 协商，选择收发两端共用的频谱进行数据通信而当存在多对收发节点时，各从 8 浙江大学硕士论文认知o f d m a 系统的多接入控制 用户可能会感知到相同的频谱资源，从用户在同一时间接入同一个频谱时，就会 发生数据的碰撞。在接入链路的选择过程中，还需要通过一定的载波选择机制分 配各用户接入的载波资源，减少用户之间传输引发的碰撞。因此可以将多接入控 制与载波分配相结合，多用户竞争的问题，实现资源的高效利用。 2 2 现有的认知系统多载波接入研究 在配备单收发机的多信道链路层接入协议【1 2 】【1 3 】中，一般都是假设通信的 节点数目和传输的信道数目相同，每个节点只选择其中的一条信道竞争接入。同 时，系统中有一条公共的控制信道，所有的用户在不需要发送数据时，都在侦听 该公共信道上的信息。当某一节点需要与另一个节点建立链路时，发送端将在公 共的控制信道上发送握手协议包，接收端将包接收下来后，同样在该公共控制信 道上反馈一个握手包，发送端正确接收后，双方建立链路完成。 n a s i p u r ie t a i 【1 4 】和j a i ne t a l 1 5 】提出了认知的m a c 层协议需要每个节点为 一个载波分配一个独立的接收机。而在认知的系统中，空闲的载波信息是时刻变 化的，为每个载波分配一个接收机在认知系统中，尤其是可用频段比较宽的认知 系统中，实现起来有很大的难度并不可行。w ue ta 1 1 6 】提出的m a c 协议要求每 个节点配备两个收发机，一个用于侦听公共的控制信道，另一个用于传输数据。 此时用户使用系统需要增加成倍的成本，在数据量不大时候会造成资源的浪费。 k a v e hg h a b o o s i ，m a t t il a t v a - a h o ，y a n gx i a o 1 7 提出了具有公共信令交换信 道的认知链路层接入协议，协议中给出了有效的信道切换方法。但本文每个节点 只竞争一个信道，且采用公共的信令交换信息，没有考虑节点竞争多个信道的情 况。在非授权系统中，由于授权用户的活动性，没有办法保证存在一个固定的控 制信道不受授权用户的干扰，如果分配固定信道，则增加系统成本，且协议没有 解决隐藏终端节点的问题。 c a r l o sc o r d e i r oa n dk i r a nc h a l l a p a l i 18 】提出了c m a c 协议，协议采用超帧 的包结构，每个信道逻辑上划分时隙，通过数据传输前的b p 时隙来交换信息和 协商信道使用，可以很好地解决隐藏终端节点的问题。该协议采用公共控制链路， 在收发双发互不确知彼此的空闲载波的认知系统中并不适用。该协议采用a t i m 窗口用于协商信道信息，导致建立链路的时间过长，不适合动态变化的信道环境。 j u n g m i ns oa n d n i t i n v a i d y a 1 9 提出了m m a c 协议，通过节点动态使用多个 9 浙江大学硕士论文认知o f d m a 系统的多接入控制 信道的方法提高网络吞吐量。协议中每个节点配备半双工的收发机，通过设置偏 好信道列表机制选择接入信道，且通过a t i m 窗口完成收发双方的信道接入过 程，大大提高了系统的信道利用率。该协议将信道的接入偏好分为h i g h ，m i d d l e 和l o w ，当节点选择当前信道后，该信道对于该节点的状态为h i g h ，如果节点 竞争该信道失败，则信道在该节点的状态为l o w ，没有接入的信道则为m i d d l e 。 经过多次选择更新后，每个节点都有一些固定的偏好信道优先接入。该协议在设 计信道选择接入的过程中，成功接入信道的概率波动比较大，且需要经过很长时 间用户的偏好信道表才趋于稳定，不适用于授权用户随时到达的非授权用户接 入。 现有的链路建立方法还有采用变换域通信系统( t r a n s f o r md o m a i n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t d c s ) 技术 2 0 1 ，s w a c k h a m m e r 和r a i n e s 等人在19 9 9 年就将e g e r m o n 所提出的变化域信号处理思想应用于干扰环境下的通信，提出 了t d c s 通信系统 2 1 2 3 ，系统以发送端根据频谱感知所得到的干扰分布进行自 适应波形综合为基本思想。其中t d c s 虽然能够有效地实现干扰避免，但对频谱 感知较为敏感，且需要在较大的频谱范围内进行处理和传输。 2 3 多载波接入控制方法 2 3 1 协议的前提和假设 在分布式的认知系统中，不同的协议设计适用于不同的通信环境和应用需 求。本文设计的多接入控制协议是基于分布式的认知o f d m a 系统上的m a c 接 入协议。该硬件通信平台支持高速通信，接收机可以感知和侦听多个载波信道， 并通过o f d m a 的方式将数据发送出去。具体的协议假设如下： 整个系统没有公共的控制信道用于交互控制信令，公共控制信息的交换是 通过收发双方的空闲子载波进行交换。 每个从用户节点都可以正确感知到授权频段内的载波空闲状态。 从用户之间都是严格同步的，同时从用户与主用户保持适度同步，也可以 成为准同步 每个从用户端都只配备一个半双工的收发器。 通信是在一个较小的范围内完成，收发两端都是在一跳内完成。不考虑多 跳的情况。 1 0 浙江大学硕士论文认知o f d m a 系统的多接入控制 2 3 2 认知多载波链路层协议的链路交换 主用户活动的动态突发特性导致认知系统中信道状态信息不完全、收发两端 信道状态不完全相关且互不确知、可用频率不完全一致等问题。同时，由于从用 户系统为分布式系统，没有集中式的基站控制，因此需要收发两端确定共同用于 传输的信道。传统的a d h o c 网络是分配固定信道的，而认知系统中，c r 用户通 信的信道是动态和随机的，主要由授权用户的活动性决定。收发双方没有一个固 定的公共控制信道用于侦听或者协商信息。协议中我们采用划分一个固定的建立 链路时间供收发双方彼此交换控制信息。 收发两端可能感知到的可用信道信息不同，因此传输数据前发送端需要在它 选择的接入信道上发送一些控制包给接收端，当接收端没有处于发送数据的状态 时，它会时刻检测自己的可用信道来侦听信道的状态，同时接收发送给自己的信 息包。当它接受到发送端发送的一些信息的时候，它会把这些信息采集下来，经 过一定的处理，并通过一些反馈包反馈信道信息及其他一些控制信息给发送端。 发送端在发送完一定数量的包后处于接收状态，当它在某些信道上接受到接受端 发送来的反馈数据时，即可确定两端共有的可用信道，取两者的交集作为共同信 道。在链路建立的过程中，为了解决分布式系统多个从用户相互碰撞的问题，在 控制包的传输中加入传输时长参数，该参数在传输的过程中被其他认知用户侦听 到，避免带来隐藏终端问题。 具体的认知多载波链路交换的流程如下： 1 ) 每个非授权用户都配备一个半双工的收发机，动态地切换载波，实现侦 听载波或发送信息；各非授权用户在加入非授权系统中，感知频段内所有载波的 空闲状态，并得到非授权用户使用载波的持续时间； 2 ) 当侦听到有数据需要接收时，该非授权用户就接收数据；如果该非授权 用户需要发送数据，将根据认知系统当前活动用户数和空闲载波数目确定用户接 入的载波数目n ，非授权用户根据接入概率表选择概率最大的n 个载波接入，每 次接入完成后，根据接入概率表更新算法更新接入概率表； 3 ) 在n 个载波上发送频谱协调请求包，包中携带了选择接入的载波数目、 可用载波集及帧数据传输的持续时间，接收端在自己可用的子载波上接收到发送 端的频谱协调请求包，结合自己的可用载波状况，确定双方共同通信的载波， 1 1 浙江大学硕士论文认知o f d m a 系统的多接入控制 并将最终确定的载波数、载波集及持续时间以频谱协调响应包的形式反馈给发送 方，发送端收到频谱协调相应包后反馈频谱协调确认包。如果在交换协调信息的 过程中出现多个用户抢占同一个载波，此时用户之间的频谱协调请求包或者频谱 协调响应包发生碰撞，一旦发生碰撞，视为此次接入失败；收发双方确定通信链 路后开始传输数据信息，数据传输采用正交频分多址的接入方式，如图2 1 所示。 在图2 1 中，每个非授权节点都存在三种状态，感知，接入和传输，且三种 状态都具有固定的时间开销节点首先感知可用的信道信息，感知到可用信道后 进入接入状态，并在成功竞争信道后开始传输发送数据，否则等待下一个感知时 隙。 图2 1 认知用户状态转移图 在控制包的结构中，每个非授权用户包头的识别信息由两部分组成，一个是 非授权系统识别，一个是非授权用户标识，非授权系统识别部分携带了系统的属 性信息，用于标示该包为授权系统传输包或者非授权