小型认知无线网络通信协议的制定与设计.doc

河北联合大学轻工学院 QINGGONG COLLEGE HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕毕业业设设计计说说明明书书 111 论文题目 论文题目 小型认知无线网络通信协议的制定与设计小型认知无线网络通信协议的制定与设计 2013 年 05 月 30 日 摘 要 认知无线电网络具有动态 灵活 智能地使用频谱资源 提高频谱利用率 的特点 其网络结构和协议体系的设计是实现上述网络功能的关键 现有基于 认知无线电技术的网络架构主要有美国的 CORVUS 系统 基于 IEEE 802 22 的 无线局域网 WRAN 和支持多信道多接口的无线 Mesh 网络 协议体系有 CORVUS 协议体系 军用的 XG 系统协议及 WRAN 协议等 提出了一种小型认知无线网络的频谱协同感知方法 并在此基础上设计了 一种小型认知无线网络的通信协议 通过协议程序复杂度的角度切入 对该协 议进行了分析 同其他典型协议相比较 该协议通过采用集中式控制 分布式 感知 点对点通信的机制 尽可能地做到了扬长避短 使系统的整体稳定性和 复杂度得到了兼顾 关键词 认知无线电 网络架构 网络协议 认知无线网络 协同感知 通 信协议 程序复杂度 I 39 Abstract Cognitive radio networks have the abilities of utilizing spectrum dynamically agilely and intelligently and improving the efficiency of spectrum usage Consequently both the protocol and architectural designs for cognitive radio networks is very crucial The network architectures in existing systems included contents are CORVUS system introduced in America Wireless Regional Area Network WRAN based on IEEE 802 22 as well as the wireless Mesh network supporting multi channel and multi interface related network protocols are of CORVUS system the XG system for military applications and WRAN A cooperative spectrum sensing method of small scale cognitive wireless network is proposed On this basis a communication protocol of small scale cognitive wireless network is designed Starting from the program complexity this paper analyzes and evaluates the communication protocol Compared with other typical protocols the performance of this protocol is improved by using the mechanism of centralized control distributed sensing and point to point communication The stability and complexity of the system are taken into account Keywords cognitive radio network architecture network protocol cognitive wireless network collaborative awareness communication protocol program complexity 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 认知无线电的产生背景和特征 1 1 1 1 CR 技术的产生 2 1 1 2 CR 特征 2 1 1 3 认知无线电与软件无线电之间的关系 3 1 1 4 CR 当前的发展与标准 3 1 2 认知无线网络的研究背景 4 第 2 章 认知无线网络的简介 5 2 1 认知无线网络的概念 5 2 2 认知无线网络的特点 5 2 2 1 认知阶段 6 2 2 2 学习阶段 6 2 2 3 决策和调整阶段 6 第 3 章 认知无线网络的体系结构 8 3 1 目前提出的具有代表性的认知无线网络 CRN 体系结构 8 3 2 网络架构 8 3 2 1 CORVUS 系统 9 3 2 2 无线区域网 9 3 2 3 支持多信道多接口的无线 Mesh 网络 9 3 3 协议体系 10 3 3 1 CORVUS 的协议体系 10 3 3 2 XG 项目的协议体系 11 3 3 3 WRAN 的协议体系 13 3 4 CRN 网络动态接入 15 3 4 1 CRN 中 PHY 层中的关键技术 16 3 4 2 CRN 中 MAC 层中的关键技术 17 第 4 章 小型认知无线网络的关键技术 18 4 1 引言 18 4 2 认知无线网络的频谱感知 18 4 2 1 频谱感知的功能和特点 18 4 2 2 常用频谱感知方法 19 4 3 认知无线网络的频谱分配 20 4 3 1 基于网络结构的频谱分配 20 III 39 4 3 2 基于合作方式的频谱分配 21 4 3 3 基于接入方式的分类 21 4 4 短距离无线网络的特点和实例 22 4 4 1 短距离无线网络的特点 22 4 4 2 典型的短距离通信网络 22 4 5 小型认知无线网络的特点和研究重点 22 4 5 1 小型认知无线网络的特点 23 4 5 2 小型认知无线网络设计的研究重点 23 第 5 章 小型认知无线网络通信协议的设定 24 5 1 认知无线网络的环境感知方法 24 5 1 1 基于单节点的频谱检测方法 24 5 1 2 协同感知方法 24 5 2 认知无线网络的通信协议设计 25 5 2 1 协议层次架构 25 5 2 2 控制节点的工作时序 25 5 2 3 认知节点的工作时序 26 5 3 其他典型通信协议架构形式 27 结 论 29 参考文献 30 谢 辞 31 1 39 第 1 章 绪论 无线频谱资源的紧缺是限制无线移动通信与服务应用持续发展的瓶颈 作 为一种智能的革命性频谱共享技术 认知无线电 Cognitive Radio CR 被称 为未来最热门的无线技术 它通过对授权频谱进行 二次利用 为缓解频谱资 源缺乏与日益增长的无线业务需求之间的矛盾开辟了一条新的途径 对有效解 决有限的无线资源条件下提高频谱资源利用率这一通信难题有着优越的和不可 替代的意义 认知无线网络就是认知无线电的网络化 其本质在于将认知无线电的关键 技术环境感知 智能接入等应用于无线通信网络的整体中去研究 认知无线网 络能够利用环境认知来获取环境信息 通过对环境信息进行处理和学习做出智 能决策 并以此进行网络重构 实现对无线环境的动态适应 1 1 认知无线电的产生背景和特征 认知无线电 Cognitive Radio CR 也被称为智能无线电 从广义上来说 是指无线终端具备足够的智能或者认知能力 通过对周围无线环境的历史和当 前状况进行检测 分析 学习 推理和规划 利用相应结果调整自己的传输参 数 使用最适合的无线资源 包括频率 调制方式 发射功率等 完成无线传 输 认知无线电能够帮助用户自动选择最好的 最廉价的服务进行无线传输 甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送 认知无线电系统如图1 1所示 无线环境 频谱决策 频谱感知 频谱分析 频谱空穴信息 图 1 1 认知无线电系统 1 39 1 1 1 CR 技术的产生 通信手段的不断进步 正是人类社会不断进步的标志 从数千年前烽火台的 出现 到现在3G网络的普及 可以说 每一次通信手段的进步 都是人类社会进步 的里程碑 上世纪90年代 随着无线通信被越来越多的应用在军事 科研 社会生活的 各个领域 频谱资源的使用和分配逐渐受到了国际组织和各国政府的重视 其有 限性和不可再生性也得到了广泛的认可 在这个背景下 如何尽可能的有效利用 有限的频谱资源 成为了一个备受关注的话题 另一方面 随着电子技术的进步 数字通信技术也得到了长足的发展 这个时期正是GSM网络在全球范围内普及 的时期 数字无线业务需求连续数年大幅度增长 且已不限于语音通话业务 3G 网络 UWB等技术的出现 正是为应对这种巨大的需求所产生的 在频谱资源日益紧张和数字通信技术日益发达的大背景下 认知无线电技术 的产生 是历史发展的必然选择 自1999年 软件无线电之父 Joseph Mitola 博士首次提出了CR的概念并 系统地阐述了CR的基本原理以来 不同的机构和 学者从不同的角度给出了CR的定义 其中比较有代表性的包括 FCC Federal Communications Commission 和著名学者Simon Haykin教授的 定义 FCC认 为 CR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 Simon Haykin 则从信号处理的角度出发 认为 CR是 一个智能无线通 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 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 以达到以下目的 任何时间任何地点的高 度可靠通信 对频谱资源的有效利用 1 1 2 CR 特征 CR应该具备以下2个主要特征 1 认知能力 认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息 从而可以标 识特定时间和空间的未使用频谱资源 也称为频谱空洞 并选择最适当的频谱 和工作参数 这一任务通常采用图1 1所示的认知环进行表示 包括3个主要的 步骤 频谱感知 频谱分析和频谱判决 频谱感知的主要功能是监测可用频段 检测频谱空洞 频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性 频谱判决根据 频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据 2 重构能力 重构能力使得 CR 设备可以根据无线环境动态编程 从而允许 CR 设备采 用不同的无线传输技术收发数据 可以重构的参数包括 工作频率 调制方式 发射功率和通信协议等 重构的核心思想是在不对频谱授权用户 LU 产生有害 干扰的前提下 利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务 一旦该频段被 LU 使用 CR 有 2 种应对方式 一是切换到其它空闲频段通信 二是继续使用 该频段 但改变发射统率或者调制方案避免对 LU 的有害干扰 1 1 3 认知无线电与软件无线电之间的关系 为了便于理解CR的基本原理 有必要将CR与软件无线电 SDR 进行区分 根据电子与电气工程师协会 IEEE 的定义 一个无线电设备可以称为SDR的基 本前提是 部分或者全部基带或RF信号处理通过使用数字信号处理软件完成 这些软件可以在出厂后修改 因此 SDR关注的是无线电系统信号处理的实现 方式 而CR是指无线系统能够感知操作环境的变化 并据此调整系统工作参 数 从这个意义上讲 CR是更高层的概念 不仅包括信号处理 还包括根据相 应的任务 政策 规则和目标进行推理和规划的高层功能 一般来说认知无线电系统必须具备以下基本功能 一般来说认知无线电系 统必须具备以下基本功能 1 对无线环境的场景分析 包括空间电磁环境中干扰温度的估计和频谱 空穴的检测 2 信道状态估计及其容量预测 主要有信道状态信息的估计 信道容量的 预测 3 功率控制和动态频谱管理 1 1 4 CR 当前的发展与标准 当前 认知无线电技术已经得到了各界的关注 很多著名学者和机构都投 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 例如德国高校提出的频谱池系统 美国加州大学Berkeley分校研究组开发 的COVUS系统 美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室提出的OCRA项目 美国军方DARPA的XG项目 欧盟的E2R 项目等 在这些项目的推动下 在基 本理论 频谱感知 数据传输 网络架构和协议等领域取得了一些成果 IEEE 为此专门组织了两个重要的国际年会交流这方面的成果 目前 最引人关注的 是IEEE802 22工作组的工作 该工作组正在制订利用空闲电视频段进行宽带无 线接入的技术标准 这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动 3 39 2004年10月 IEEE正式成立IEEE802 22工作组 IEEE802 22别名称为 Wireless Regional Area Network WRAN 无线区域网络 该工作组的目的就 是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF UHF频带 北 美为 54MHz 862MHz 的频率用作宽带访问线路 这是继2002年实现民用的 UWB 之后又一全新的无线频率应用技术 IEEE802 22将要制定的是无线通 信的物理层与MAC层规格 所设想的数据通信频率为数Mbit 秒 数十Mbit 秒 电视转播所用的频率由于是比过去的无线LAN更低的频带 因此基站设备可覆 盖的范围很大 半径超过40km 如果此目标得以实现 总计300MHz 400MHz 的频带将可用于室外宽带通信 1 2 认知无线网络的研究背景 所谓认知无线网络 就是认知无线电的网络化 其本质在于将认知无线电的 关键技术 环境感知 智能接入等 应用于无线通信网络的整体中去研究 认知无线网络能够利用环境认知来获取环境信息 通过对环境信息进行处理和 学习做出智能决策 并以此进行网络重构实现对无线环境的动态适应 国际学术界和工业界对认知无线电技术的研究思路经历了一个发展变化的 过程 即 由单纯的 无线电 视角向 网络与系统 的框架转变 在传统的 无线电 视角之下 认知无线电系统所要求的有意识的 可调整的 自动化 和自适应的特征 需要由 全能型 的无线收发信机 支持所有模式所有频段 来侦测 发现并协商适合的工作频率 波形及协议 然而 随着研究工作的开 展与深入 这一传统 无线电 视角逐渐暴露了局限性 所谓 全能型 收发 信机的实现成本 复杂度 功耗等因素使其在现实中很难实现 仅仅关注了无 线链路底层 而忽视了不同网络节点之间的交互及协作 无法反映用户业务与 应用对无线系统的影响与需求 所以 认知无线电的研究视角逐渐从无线链路 的底层功能扩展到了更高层次的协议和网络设计 认知无线网络 CRN 已逐渐 成为认知无线电未来研究和产业化方向的共识 在认知无线网络的框架内 无 线网络将根据其与周边多维环境 网络 协议 应用等 交互信息的情况 调整 其网络特性 实现最优的系统性能 目前 欧美等发达国家和地区已经开始进 行认知无线网络的网络级行 为的研究和协议的制定 但是国内的研究仍然主要处于频谱感知 频谱决策等 分支学科研究阶段 第 2 章 认知无线网络的简介 2 1 认知无线网络的概念 随着认知无线电的发展和深入研究 Motorola及Virginia Tech等公司提出了 无线认知网络 Cognitive Radio Network CRN 的概念 他们认为无线认知网 络是一种具有认知能力的网络 能够感知网络当前的状况 并根据当前的状况 来计划 决定并行动 也就是说可以自我配置来响应和动态自适应操作和环境 的改变 自我配置的主要功能组成是 自我意识和自动学习 通过具有网络意识 的中间件和网络各组成部分分布式交叉来实现 无线认知网络能最大化操作者 的能力 认知无线电作为节点构成智能的认知无线网络 是网络的核心 2 2 认知无线网络的特点 认知无线网络是一种具有认知过程的网络 它能分辨当前网络状态 然后 根据这些状态进行规划 决策和响应 网络能在这些自适应过程中学习 并可 以将学到的知识用于以后的决策 最终目标都是为了实现端到端的性能 这个定义在认知方面与认知无线电的表述相似 两者都广泛地包含了许多 认知和学习的简易模型 这个定义的关键是在于网络层面和端到端的部分 如 果没有网络和端到端的视角 这个系统也许将成为认知无线电或者只是网络中 的一层 而不是一个完整的认知无线网络 这里的端到端指的是网络所有元素 都参与了同一个数据流的传播 而端到端的目标使得认知无线网络有一个全网 范围内的要求 这点使其与只在本地或者单元素范围内自适应的方法区别开来 认知无线网络应该将对网络性能的观察 或者代理观察 作为决策处理过 程的输入 然后将可作用于网络中可调元素的一系列行为作为输出 理想的情 况是 一个认知无线网络应该具有前瞻性而不仅仅是反应式的处理 它应该在 问题出现之前就尝试校正修整 此外 认知无线网络的体系架构应该具有扩展 性和灵活性 以支持未来改善的网络架构和新增的网络元素 从而实现更高层 次的通信目标 认知集中在对无线环境域 网络环境域和用户域的多域认知上 完成对海量认知信息的获取 为以后的学习 决策 调整阶段提供信息输入 学习阶段主要是通过反馈环路分析行动对外界环境变化进行响应 逐步修正达 5 39 到最优的行动策略目的 决策和调整阶段是针对认知信息和经验学习 选择最 优的行动决策并通过重配置方式进行相应参数的调整 这个阶段涉及无线频谱 资源的分配和管理 对异构无线网络资源的联合管理 期望得到资源的最大利 用效率 从而获得系统性能的最大提升 为了实现这一目标 跨层设计可以通 过增加层间交互的方式对相应的协议层做出最优决策和调整命令 Self x利用其 自配置 自管理 自优化的特性对网络进行实时监测和调整 2 2 1 认知阶段 为了适应时变的无线信道环境 及时获取网络的状态信息 认知无线网络 需要借助认知技术 来实现无线资源的有效利用和网络性能的整体提升 由于 未来必定是多种异构网络共存的局面 用户可以根据网络的运行状况来自主选 择要接入的性能最佳的网络 从而为用户提供最好的端到端QoS Quality of Service 保证 认知为这一目标的实现提供了重要的手段 为了提高认知的效 率和完备性 充分认知环境的变化 认知域需要由传统的单一无线环境扩展为 包括无线环境 网络环境和用户环境在内的多域认知环境 传统的静态 局部的频谱分配策略已经不能解决日渐突显的频谱匮乏问题 如何有效地整合空闲的频谱资源并动态地进行分配变得尤为重要 因此目前关 于认知的研究也主要集中在对 频谱空穴 的感知上 检测空白频谱并重新分配 提高资源的利用效率 主要相关的技术有 信号检测技术 感知导频信道 CPC Cognitive Pilot Channel 技术 数据库技术 2 2 2 学习阶段 学习阶段是当外界环境参量发生变化时 系统感知此变化并做出相应的动 作响应 通过动作响应的结果 判断对系统性能的影响 对系统响应结果进行 学习 并将学习结果输入策略库 以便下次发生相同的变化时采取经验条件下 最优的行动策略 简而言之 期望通过经验学习来获得系统性能的提升 当用 户感知到对外界环境的某些参数后 做出决策并作用于外界环境 外界环境给 认知用户一个反馈 学习阶段就是逐步分析这些反馈 以达到最佳策略 继而 完成学习的过程 相关的学习方法主要有 监督学习 非监督学习和半监督学 习 2 2 3 决策和调整阶段 1 频谱管理 由于认知无线网络中用户对带宽的需求 可用信道的数量和位置都是实时 变化的 频谱分配技术将一些不规律和不连续的频谱资源进行整合 按照一定 的公平原则将频谱资源分配给不同的用户 实现资源的合理分配和利用 自适 应频谱资源分配的关键技术主要有 载波分配技术 子载波功率控制技术 复 合自适应传输技术 为了协调授权用户和非授权用户间的关系 提高频谱管理 的效率 新的频谱管理思想和管理规则亟待提出 以适应用户的需求和技术的 发展 2 联合无线资源管理 各种异构无线接入技术 RAT Radio Access Technology 共存将会是未来 无线网络环境的一大特点 具体来说 各种无线接入技术将会出现重叠覆盖 各自面向不同的服务要求 技术特性之间存在互补性 这些特点使得异构无线 接入技术之间的资源共享成为可能 由此提高系统性能和资源利用率 带来更 好的用户体验 联合无线资源管理 JRRM Joint Radio Resource Management 用于多个 异构无线接入网之间的无线资源分配 它通过联合会话接纳控制 联合会话调 度 联合负载控制和切换等功能来实现更高的系统性能和频谱效率 3 跨层设计 所谓跨层优化设计 是通过在网络各层间共享与其他层相关的信息 利用 各层之间的相关性 将各层协议集成到一个综合的分级框架中 对无线网络进 行整体设计的一种思想 这种设计模糊了严格的层间界限 打破传统的通信系 统分层框架 将分散在网络各个子层的特性参数协调融合 使得协议栈能够以 全局的方式适应特定应用所需的QoS和网络状况的变化 根据系统的约束条件 和网络特征来进行综合优化的方式 跨层的设计思想 实现了对网络资源的有 效分配 达到了提高网络的综合性能 为用户提供更好服务的目的 4 Self x 技术 下一代网络融合了多种异构网络 这极大地增加了网络管理的复杂性 针 对此问题 研究人员提出了基于自主计算 AC Autonomic Computing 的异 构无线网络自主管理架构 自主计算的概念最早由IBM在2001年提出 所谓自主计算 即通过设计 构建一个能够自管理的计算系统来实现系统的自我管理 以便将管理人员从复 杂管理任务中解脱出来 降低系统的复杂性 减少管理成本 它的本质是由系 统主动监视自身的运行状态 并按照管理策略针对不同的运行状态自动执行相 应的调整 系统操作 自主计算的核心思想是实现自主管理 Self management 功能 7 39 主要表现为 自配置 Self configuring 自恢复 Self healing 自优化 Self optimizing 自保护 Self protecting 以上自主管理的功能也被称为Self x 第 3 章 认知无线网络的体系结构 3 1 目前提出的具有代表性的认知无线网络 CRN 体系结构 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 并使用人工 智能技术从环境中学习 通过实时改变某些操作参数 使其内部状态适应接收 到的无线信号的统计性变化 基于CR技术的认知无线电网络具有动态 灵活 智能地使用频谱资源 提高频谱利用率的特点 其网络结构和协议体系的设计 是实现上述网络功能的关键 现有基于认知无线电技术的网络架构主要有美国 的CORVUS系统 基于IEEE 802 22的无线区域网 WRAN 和支持多信道多接口 的无线Mesh网络 协议体系有CORVUS协议体系 军用的XG系统协议及 WRAN协议等 3 2 网络架构 采用认知无线电技术的认知无线电网络 由于其独特的频谱复用性和巨大 的覆盖范围 呈现出一些不同于以往传统网络的特点 1 在多系统共存条件下 分配无线资源 用户间的链接需要进行有效的控 制和管理 同时满足延迟和带宽要求 实现数据传输调度 在数据传输调度时 需要考虑以下几个因素 与交叠的认知无线电小区的共存 业务流对应的调度 业务 业务流的服务质量 QoS 参数值 数据传输的可靠性和所分配的带宽容量 2 系统应该具有多信道支持能力 中心控制器在需要情况下应该能够将多 个邻近频道进行聚合处理以改善系统性能 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聚合成组以供使用 而用户则可以相应地采用多信道模式工作 中心控制器要具有能够处理跨越多 个子信道的上下行传输能力 并且随着信道数量变化及时调整调度工作 信道 分组使用同时也提高了带宽利用率 主用户检测程序和分布式感知能力为多信 道操作的可行性提供了保证 3 系统面临共存问题 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 作为覆盖范围巨大的多个认知无线 电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 自干扰问题如果不能得到解决 将会严重影响认知无线电网络工作 基于以上的特点 学术界和工业界已经提出了一些适用于认知无线电网络 的网络体系架构 其中具有代表性的有如下3个 3 2 1 CORVUS 系统 早在2004年美国加州大学伯克立分校的 Brodersen 教授领导的研究组就提 出了基于认知无线电方式使用虚拟非授权频谱的CORVUS体系结构 在 CORVUS系统中 由多个次用户 SU 组成次用户组 SUG 同一个SUG中的节 点可以彼此间以Ad hoc方式通信 或者通过专用接入节点访问骨干网络 比如 Internet 不同SUG中的SU是不能直接通 信的 假设在对等SU或者SU与接入 点 AP 间只存在单播通信 不支持广播 那么对等SU或SU与AP的通信允许分 布式或集中式的组织方 式 CORVUS系统将SU面对的业务流形式主要划分为 2种类型 Web式和Ad hoc网络式 对应于Web式 SU主要工作类似Internet接入 需要一个类似基站或者访问点的存在来提供接入服务 因此会采用集中式控制 而Ad hoc网络式主要工作是节点彼此间进行的通信 采用分布式控制即可 3 2 2 无线区域网 基于IEEE 802 22标准的无线区域网 WRAN 使用未使用的电视广播信道 在对电视信道不产生干扰的前提下 为农村地区 边远地区和低人口密度且通 信服务质量差的市场提供类似于在城区或郊区 使用的宽带接入技术的通信性能 在WRAN的系统中 基站和用户预定设备是主要实体 转发器是可选的实 体 采用集中式的网络结构 在下行方向上 WRAN采用固定的点对多点星型 结构 其信息传播方式为广播方式 在上行方向上 WRAN向用户提供有效的 多址接入 采取按需多址 DAMA 和时分多址 TDMA 即各用户场地设备 CPE 以 传输需求为基础 根据DAMA 和TDMA机制共享上行信道 用户通过与基站 BS 的空中接口接入核心网络 一个CPE可支持多个传输数据 语音和视频的 用户网络的接入 通过BS可接入到多个核心网络 在CPE与BS之间 系统可通 9 39 过转发器进行转发 在任何情况下 BS提供集中式的控制 包括功率管理 频 率管理和调度控制 3 2 3 支持多信道多接口的无线 Mesh 网络 支持多信道多接口的无线Mesh网络按Ad hoc方式或者混合网络方式布置 如果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 正是因为节点的这一特点 使得这类网络结构设计和布置 与传统网络有很大不同 3 3 协议体系 如何保证所设计的协议体系结构能够保证正确可靠的数据交换 如何保证 所设计的协议体系结构在实现时能够保证与协议标准的一致性 以及如何实现 与其他协议标准之间的数据交换 这都是认知无线电协议体系结构设计中必须 考虑的问题 由于认知无线电技术具有动态 灵活 智能的特点 因而对网络 协议的要求也比较高 要求协议具有异步 实时的特点 必须能自适应于因终 端变动 无线环境变动而带来的可用频谱资源的动态变化 网络拓扑结构的改 变 因此在设计认知无线电网络协议时 将遵循以下原则 协议设计应充分反 映认知无线电技术的特征 常用通信协议体系结协议设计应充分反映认知无线 电技术的特征构都采用分层结构 在对认知无线电网络进行设计时 将主要考 虑物理层 媒体接入控制 MAC 层以及网络层 在具体设计过程中 将借鉴已 有物理层 MAC层与网络层的协议层次 在此基础上 加入具有认知无线电特 性的功能模块 协议架构设计应结合算法与网络结构设计的成果进行系统性地考虑 由于 认知无线电网络协议的设计与采用的网络结构密切相关 而算法又与所采用的 网络结构密切相关 三者之间 相辅相成 互相影响 因此在网络协议设计过 程中 应建立一个初步的框架 然后结合算法设计以及网络结构设计的成果不 断 修订 最终完成网络协议的设计 协议架构设计应尽可能考虑相容性 即考 虑与其他系统之间的协议架构设计应尽可能考虑相容性共存问题 由于目前的 通信格局是多系统共存 因此在认知无线电协议架构设计时 应充分考虑与其 它系统之间的共存问题 现有认知无线电系统的一些协议体系都是以分层协议 栈为基础进行研究的 这种分层和模块化的设计在将新技术融入现有网络技术 时具有一定优势 3 3 1 CORVUS 的协议体系 CORVUS的协议结构基于通用的OSI ISO协议栈结构 如图3 1所示 从这 个协议栈结构可以看到 主要涉及了物理层与链路层 在物理层中 与认知无 线电技术相关的主要模块包括 频谱感知 信道估计和数据传输功能模块 系 统内SU间的控制和感知信息是通过两个专用逻辑信道通用控制信道 UCC 和组 控制信道 GCC 来实现传送 UCC是系统唯一的公用控制信道 每个SU预先知 道 每个SUG拥有一个GCC负责 交换组内控制和感知信息 在链路层上 与认知无线电技术相关的主要模块是 组管理模块 链 路管理模块和介质接入控制模块 组管理模块 CORVUS体系结构假定系统由主用户 PU 和具有认知能力的 SU组成 PU是某些频段的合法拥有者 SU在认知无线电技 术支持下借用PU暂 时未使用频段通信 多个SU组成SU组 任何一个SU均属于某个组 系统通过 定义的信道全局控制信道用来进行组的管理 新加入网络的SU加入已存在的某 个 SUG或者新生成一个组 从 UCC处获取所必需的信息 传输层 网络层 链路层 物理层 公用 控制 信道 组控 制信 道 组管理链路管理 MAC 频谱感知信道估计 数据传 输 MAC 媒体接入控制 图 3 1 CORVUS 的协议结构 11 39 链路管理模块 该模块负责两个SU之间的通信建立和链路维护 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 物理层感知到有PU意图使用这些信道时 链路层要换到新的信道以免影响PU并 维持自身通信 MAC模块 MAC是认知无线电系统中比较有挑战性的部分 在多分组多用 户系统中 MAC要能够提供多个SU并发接入一个链接的能力 甚至要能够管理 多个SU的多个链接并发使用同一子信道 3 3 2 XG 项目的协议体系 美国国防部高级研究计划署 DARPA 资助的XG项目也在积极关注动态使用 频谱问题 XG系统设定普通协议分层模型不需重 新修改传统MAC协议 只需 适当升级即可 例如传统收发机应用程序接口 API 可加入XG原语集成为XG改 进收发机API 如图3 2所示 XG范围只包括在物理层和MAC层 网络层及其 以上层也不需 做改动 最终系统形式是完全具有XG特性的MAC层和物理层 但现阶段主要研究内容是图上中间部分示意的系统协议结构 将具有XG特 性和功能的层次模块集合进原有通信系统中 在这样的XG的协议栈中 MAC 层增加了XG处理模块 物理层增加了XG控制模块 XG总体而言是一个MAC层 的概念 但其中一些重要部分却分布在物理层 比如感知 它的收集和对接收 信号强度的平 均化处理就被设计在物理层进行 这就必须考虑协议的跨层问题 XG的物理层增加了XG控制功能模块 该模块识别出部分特定帧是具有XG 特性的并对其进行相应处理 XG处理模块利用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 这种交互的重要之处在于需要确 保选择频率在收方是可用的 在发端也不会造成信号阻塞 各XG处理模块彼此 协调 执行动态频谱共享 限制对主用户的干扰 还产生物理层的状态信息 XG MAC层上增加的XG处理模块进一步分解为 机会识别 机会分配 机会使 用3个模块 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 机 会集是动态的 随时间变化 可用的传输机会为XG全部节点的一个子集服务 特别是在目标节点附近一定范围内的节点 机会识别是一个分布式工作 可能 包括感知频谱机会 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 机会分配模块 以分布式方式将机会识别模块确定的可用传输 机会分配给 XG节点 它使用机会信息和约束条件创建一个动态分配表 分配表实际上是个 分布式的数据库 包含对各个XG节 点分配的频率 时间间隔或码字 分 配也是随时间变化的 它可以基于任意介质接入控制方式 载波监听媒体接 入 冲突避免 CSMA CA 频分多址 FDMA TDMA CDMA 或者几者结合 机会使用模块 指的是在给定的传输机会上进行通信的物理层机制 它也要负 责记录机会使用机制和收发机参数上下限值 此功能模块的作用就是确保一个 数据 包在满足约束条件下尽可能快地传送 存在很多可能的机会使用机制 模块并 不限定使用某种特定实现机制 在分配和识别模块间构造了一个机会API 它是 个XG内部的API 作用是清晰分开决定传输机会和使用机会2种功能 这个API 的使用便于对2个模块进行独立细化 在同一个系统框架下分别地采用不同方法 执行 传输层 传输层 传输层 网络层 网络层 网络层 MAC 层XG 过程 继承 MA C 层 XG 优化 MAC 层 物理层 物理层 XG 优化物理层 XG 控制 继 承 XG 增强 XG 增强 收发 机 API 收发 机 API 收 发 机 API 13 39 3 3 3 WRAN 的协议体系 WRAN的IEEE 802 22 标准包括物理层和MAC的协议 与IEEE 802 16 系 列中的结构 管理和互联等要求保持一致性 IEEE 802 22 协议在物理层上增加了频谱感知功能 通过本地频谱感知技 术以及分布式检测等方法 来可靠地感知某时刻 某地区的电视频段中各子信 道是否被授权的电视信号 ATSC DVB T DMB T等制式 占用 使认知用户 能够在对授权用户系统不造成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 本地检测器利用本地的感知天线对授权用户的信号进行感知 可能的算 法包括 匹配滤波 能量检测以及周期特性检测等 由于信道的多径衰落 阴 影效应以及隐藏节点等问题的出现 从而增加了单个认知无线电用户检测某频 段是否存在原始用户的结果不确定性 为了克服这一系列问题 有必要联合位 于不同位置的多节点进行分布式地联合检测 可能的合并算法包括 与 或 和 K秩 等 MAC协议方面 主要参照应用于固定宽带无线接入的IEEE 802 16 标准 并根据WRAN的特点与要求做了相应的修改与扩展 并将该MAC协议成为认 知MAC协议 在对认知无线电系统极为重要的频谱管理方面 MAC协议中不 仅引入了使得WRAN各覆盖区域相重叠的BS能更加有效地共享无线频谱的共存 信标协议 同时在MAC层的功能中加入了信道管理和测量功能以更加灵活有效 地实现频谱管理 与IEEE 802 16 一样 WRAN采取面向连接的通信机制 从 而便于提供灵活的QoS服务 协议支持单播 多播和广播服务 并采用联合接 入方案以在满足延迟与带宽要求的同时 对用户间的连接进行有效的管理与控 制 这主要 通过4种不同的上行调度机制来完成 而这4种调度机制又通过主动带宽获 API 应用程序接口 MAC 媒体接入控制 图 3 2 XG 协议栈结构 取 投票选举和竞争3个过程来实现 IEEE 802 22 协议中提出的参考结构模型如图3 3 即由一个频谱管理模块 和多个MAC 物理层模块构成 而CPE仅由一个MAC 物理层模块构成 其中 频谱管理模块使得系统能够使用不连续的信道 并同时保持了MAC协议的简单 性和可扩展性 该模块负责观察整个目标频段 并将可用的空闲信道根据一定 标准 如每个模块连接的终端数 通信要求 传输距离等 分配给各个MAC 物理 层模块 此外 频谱管理模块还应能够处理不同模块的请求 如因信道质量发 生变化导致切换信道 因而需获得可用信道信息的请求 高层 汇聚层 MAC 层 物理层 MAC 层 物理层 MAC 层 物理层 频谱 管理 MAC 媒体接入控制 15 39 3 4 CRN 网络动态接入 为达到在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用 认知无线 电网络的媒体接入控制 MAC 层不仅需要提供传统的服务 还要求能支持一套 全新的功能 主要有 频谱检测管理通过对检测模式的选取 检测周期及检测 时长的 设置 检测信道的选取和检测静默期的设置等实现检测策略和参数的选 取及优化 接入控制主要采用与授权用户协调接入和透明接入两种方式避免与 授权用户的接入产生碰撞 动态频谱分配针对二进制干扰模型和累积干扰模型 进行不确定 频谱资源的优化分配 安全机制通过增加mac帧的认证和保密以防 御mac层的安全攻击 跨层设计结合物理层和网络层 传输层等上层信息设计 和实现全局优化的mac层技术 3 4 1 CRN 中 PHY 层中的关键技术 1 宽带射频前端技术 为了提供宽带频谱感知能力 CR的射频前端必需能够调谐到大频谱范围内 的任意频带 接收的信号通过放大 混频和A D转换等步骤后送入基带处理 进行频谱感知或数据检测 其中 射频滤波器通过通带滤波选择所需要的频段 的接收信号 低噪放大器 LNA 在放大所需信号的同时最小化噪声 锁相环 PLL 压控振荡器 VCO 和混频器联合控制 将所需要的接收信号转换到基带 或者中频处理 信道选择滤波器用于选择所需的信道并抑制邻道干扰 自动增 益控制 AGC 维持很宽的动态范围内的输入信号经放大器的输出功率恒定 针对CR应用 宽带射频前端面临的主要难题是 射频前端需要在大的动态 范围内检测弱信号 为此 需要采样速率高达几吉赫兹的高速A D转换器 并 且要求超过12比特的高分辨率为了降低这一需求 可以考虑通过陷波滤波器滤 出强信号 降低信号的动态范围 或采用智能天线技术 通过空域滤波来实现 强信号滤出 2 频谱感知技术 频谱感知技术是CR应用的基础和前提 现有的频谱感知技术可分类为 单节点感知是指单个CR节点根据本地的无线射频环境进行频单节点感知谱特性 标识 单节点感知技术包括匹配滤波 能量检测和周期特性检测3种 由于这些 方法各有优缺点 实际应用时通常结合使用 图 3 3 IEEE 802 22 的协议参考模型 协同感知则是通过数据融合 基于多个节点的感知结果将进行综合判决 协同频谱感知的另一个优点是可以有效的消除阴影效应的影响 协同感知可以 采用集中或者分布式的方式进行 集中式协同感知是指各个感知节点将本地感 知结果送到基站 BS 或接入点 AP 统一进行数据融合 做出决策 分布式协同 感知则是指个节点间 相互交换感知信息 各个节点独自决策 干扰温度感知随 着FCC引入干扰温度模型来测量干扰 也有人提出通过测量干扰温度进行频谱 感知 但这种方法通常要求CR节点知道授权用户的位置 目前尚面临很多问题 3 数据传输技术 数据传输技术对于CR实现利用空闲频谱进行通信 从而整体上提高频谱利 用率的主要目标非常关键 由于CR可用频谱可能位于很宽的频带范围 并且不 连续 因此CR数据传输技术必需能够适应可用频谱的这一特性 目前 实现频 谱自适应CR数据传输有2个基本途径 采用多载波技术或采用基带信号发射波 形设计 在多载波传输技术中 正交频分复用 OFDM 是最佳候选技术 其基 本思想是将可用整个频带划分成OFDM子载波 只利用没有被授 权用户占用的 子载波传输数据 构成所谓的非连续OFDM NC OFDM 子载波的分配则通过 频谱感知和判决的结果 以分配矢量的方式实现 例如 在进行OFDM调制时 可以将已被授权用户占用的子载波置零 从而避免对授权用户产生干扰 同时 考虑到频谱渗漏的问题 还有必要留出足够的保护子载波 同时 由于很多子 载波并没有使用 可以通过一些快速傅立叶变换 FFT 修剪算法降低系统实现的 复杂度 OFDM技术的重要优点是实现灵活 但也面临同步 信道估计以及高 峰平比的问题 3 4 2 CRN 中 MAC 层中的关键技术 为实现CR用户利用频谱空穴的同时避免对授权用户造成有害干扰 要求 CR网络的媒体接入控制 MAC 层不仅提供传统的服务 如媒体接入控制和健 壮的数据传输 还能支持一套全新的功能 即在不干扰授权用户的条件下有效 地实现机会频谱利用 这些新的功能体现在MAC层的频谱检测管理 接入控制 动态频谱分配 安全机制及跨层设计等各个方面 频谱检测管理通过对检测模 式的选取 检测周期 频谱检测管理及检测时长的设置 检测信道的选取和检测 静默期的设置等实现检测策略和参数的选取及优化 接入控制主要采用与授权 用户协调接入和透明接入控制两种方式避免与授权用户的接入产生碰撞 动态 频谱分配针对二进制干扰模型和累积干扰模动态频谱分配型进行不确定频谱资 源的优化分配 安全机制通过增加MAC帧的认证和保密以防御MAC安全机制层 17 39 的安全攻击 跨层设计结合物理层和网络层 传输层等上层信跨层设计息设计 和实现全局优化的MAC层技术 第 4 章 小型认知无线网络的关键技术 4 1 引言 同其他类型的通信网络相比 认知无线网络的本质在于利用频谱空穴进行 机会接入 通俗来讲 就是在授权用户空闲时 借用 授权用户的使用频率 从这个角度考虑 组建一个认知无线网络 最重要的技术问题就是如何更 好的利用频谱空穴进行机会接入 具体地说 就是解决 如何发现频谱空穴 和 如何利用频谱空穴 这两个问题 所以 认知无线网络研究的两个关键技 术就是频谱感知技术和频谱分配技术 小型认知无线网络显然应当具备一般认知无线网络的特点 与此同时 它 也应当和其他典型的小范围 短距离无线通信网络具备共同的特征 包括低成 本 低功耗 对等通信等 通过将系统介绍认知无线网络 短距离无线网络的特点和关键技术 并列 出几种典型的短距离无线网络的架构和优缺点 由此引出接下来的研究重点 即认知无线网络和短距离通信网络的结合 4 2 认知无线网络的频谱感知 4 2 1 频谱感知的功能和特点 频谱感知的目的是及时准确的感知到在某时和某地是否存在可供认知用户 使用的空闲频段 同时在认知用户使用时能够随时检测是否有授权用户使用该 频段 以使认知用户及时退出频段 狭义的频谱感知指的是对单个节点而言的 频谱感知 也就是单个节点在独立而不依靠外界帮助的情况下完成频谱感知 频谱感知的功能主要有两个 一是对频谱空穴的寻找 充分利用机会 二是通信过程中对授权用户的检测 及时感知授权用户的状态 尽量避免对 授权用户产生干扰 出于认知无线网络特殊的应用环境 频谱感知也有其自身 的特点 首先 它只需判断授权用户是否存在 而不需要从授权用户那里获取 信