通信与信息技术专业论文-基于USRP的认知无线电选择接入与多路并传技术研究.docx

指导教师姓名、职务提交论文日期二一二年十二月通信与信息系统学科、专业工学学科门类基于USRP的认知无线电选择接入与多路并传技术研究刘勤 副教授韩佳汛作者姓名Research on Selective Access and Concurrent MultipathTransfer in Cognitive Radio Based on USRP题（中、英文）目1008420189公开TN929.510701密级学号分类号代号学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名： 日期 关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。本人签名： 日期 导师签名： 日期 摘要随着无线通信技术的发展，无线频谱资源的稀缺更加严重，但传统固定频谱分配策略造成了已授权频谱的大量空闲。认知无线电技术能够动态的感知周围环境的频谱资源，发现利用频谱“空洞”进行通信，可以有效的提高频谱的利用率。本文以认知无线电基本理论为指导，在基于USRP硬件平台的多小区认知无线通信演示系统的基础上，借鉴通信系统中的选择接入和基于SCTP的多路并传，设计并实现了选择接入和多路并传模块。形成的模块可以为多小区认知无线通信演示系统提供小区选择（重选）及切换功能，同时也为系统中的认知终端增加了通过多条路径实现用户数据的并行传输的功能。本文首先简要介绍了认知无线电的技术背景、基本原理和研究现状。其次介绍了利用USRP平台设计的多小区认知无线通信演示系统的目标和设计方案。最后在此基础上研究并设计了选择接入模块和多路并传模块的实现方案，并给出了初步的实验验证。关键词：认知无线电 USRP GNU Radio 选择接入 多路并传AbstractWith the rapidly development of wireless communication technology, the scarcity of spectrum resources is increasingly serious. However, traditional fixed spectrum allocation strategy has resulted in a large number of idle licensed spectrum resources. Cognitive radio can dynamically sense ambient spectrum resources, discover and utilize spectrum holes for communication, effectively improving the spectrum utilization. Based on the fundamental theory of cognitive radio and inspired by the technology of selective access and SCTP-based concurrent multipath transfer(CMT), this paper designs and implements the selective access module and concurrent multipath transfer module in a multi-cell cognitive radio communication demonstration system using USRP. These modules can support cell selection (re-selection), handover, and the user datas concurrent multipath transmission in the demonstration system. Firstly, this paper introduces the background and basic principles of cognitive radio briefly. Secondly, this paper introduces the USRP based multi-cell cognitive radio communication demonstration systems objectives and design schemes. Finally, this paper describes the design and implementation of selective access module and concurrent multipath transfer module in detail. Keywords：Cognitive Radio, Selective Access, Concurrent Multipath Transfer目录第一章绪论11.1认知无线电的技术背景和原理11.2认知无线电研究现状21.2.1认知无线电研究现状21.2.2认知无线电的未来研究方向31.3论文安排4第二章基于USRP的多小区认知无线通信演示系统52.1演示系统结构52.2系统各个模块的设定72.2.1模拟授权用户72.2.2频谱感知器72.2.3数据库82.2.4管理中心82.2.5基站102.2.6认知终端112.2.7链路层帧格式及信令设计122.3开发平台简介132.3.1硬件平台介绍142.3.2GNU Radio平台介绍14第三章选择接入的设计与实现173.1小区选择(重选)和切换173.1.1小区选择和重选173.1.2切换173.2基于RSSI的代价函数基站选择算法203.3基于USRP 的选择接入模块设计253.3.1构建场景及支撑方式253.3.2切换过程的设计263.3.3选择接入模块的实现验证31第四章多路并传的设计与实现354.1多路并传简介354.2SCTP协议及基于SCTP的多路并传364.2.1SCTP协议364.2.2SCTP协议特点384.2.3基于SCTP的多路并传394.3认知无线通信演示系统中多路并传功能的设计394.3.1实现场景394.3.2整体功能设计及功能分块404.3.3分组及数据块格式定义424.3.4偶联的建立和拆除484.3.5数据块的传输和确认494.3.6路径管理504.3.7CMT模块的实现验证51第五章总结55致谢57参考文献59第一章 绪论3第一章 绪论1.1 认知无线电的技术背景和原理随着无线通信技术的发展和应用，人们对移动通信及宽带无线接入技术的业务需求越来越高，无线频谱资源的稀缺显得更加严重。如果提高频谱利用率一直以来都是无线通信领域的热点问题。2002年FCC的一篇报告1中指出：“在许多频带，频谱的准入是比频谱本身稀缺更加重要的问题。”目前各国采用的频谱分配方案都是基于固定频带分配的，人们越来越意识到固定频带分配是造成当前频谱资源稀缺的一个主要原因。人们发现一方面分配的频段资源并没有完全有效的被利用，一些频带在绝大部分时间内未被占用，另一部分频带仅在部分时间内被占用2；另一方面开放的未授权频段则异常繁忙。为了解决这种一方面频谱资源匮乏另一方面已分配频谱资源没有很好的利用的矛盾，提高现有的频谱利用率，1999年Mitola博士首次提出认知无线电的概念3，并系统地阐述了认知无线电的基本原理4：认知无线电技术将连续不断地认知外部环境的各种信息（如授权用户终端和认知无线电终端的工作频率、调制方式、接收端的信噪比、网络的流量分布，甚至可以是认知用户的行为和说话内容等），并对这些信息进行分析、学习和判断，然后通过无线电知识描述语言与其他认知无线电终端进行智能交流，以选择合适的工作频率、调制方式、发射功率、介质访问协议和路由等，保证整个网络能够始终提供可靠的通信，最终达到最佳的频谱利用率。认知无线电最大的特点在于智能性，这也是它与普通软件无线电最大的不同。2003年FCC给出了一种认知无线电的狭义定义5：“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设备”。认知无线电的基本思想是：为有效地提高频谱利用率，需要使无线通信设备具有发现空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源“频谱空洞”并合理利用的能力，具有这种认知功能的无线设备，能够机会式地使用已授权的频段；同时，非授权用户（认知用户）的接入不能对已授权频段内主用户通信造成干扰。认知无线电是建立在软件无线电平台上的一种内容认知型的智能无线电，通过在无线域建模来扩展软件无线电的功能，通过无线知识描述语言（RKRL，Radio Knowledge Rendering Language）来提高个人服务的灵活性。它能通过学习实现自我重配置，动态自适应通信环境的变化。认知无线电系统具有检测、分析、调整、推理、学习等过程，图1.1描述了这一系列的过程组成认知的循环。图1.1 基本认知环认知无线电具备以下2个主要特性：（1）认知能力认知能力是指认知无线电设备从周围无线环境中感知并捕获频谱、功率等信息，进而发现特定时间和空间的未使用频谱资源(频谱空洞)，并通过一系列算法选择出适当的频谱和工作参数的能力。认知能力主要分为三个步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知的主要功能是对外界环境进行检测，发现频谱空洞；频谱分析是指通过分析感知到的频谱信息来确定频谱空洞；频谱判决根据分析得的频谱空洞特性及用户需求为认知用户选择适当的工作频段。（2）重构能力重构能力是指认知无线电设备能够不改变任何硬件部分仅通过动态编程来调整传输功率，载频、调制方式等发射参数。1.2 认知无线电研究现状1.2.1 认知无线电研究现状目前，随着认知无线电的发展，认知无线电已经得到了全世界越来越广泛的关注，与此同时各个国际标准化组织以及行业联盟均开展了相关的研究，并且开始制定认知无线电的相关标准和协议。许多著名学者、工业组织、大学、研究中心、企业开始研究CR 的理论、实现方式和实际应用, 启动了很多针对认知无线电的重要研究项目6。例如: 德国Karlsruhe大学的F. K. Jondral教授等研究的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R. W. B rodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国乔治亚理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Aky ild iz 教授等人提出的OCRA项目、美国国防先期研究计划局( DARPA )的XG 项目、欧盟的E2R项目等。在频谱政策管理部门的支持下，一些国际标准化组织也着手制定相关标准以推动认知无线电技术的发展。美国电气和电子工程师协会（IEEE）在2004年11月成立了802.22工作组，该工作组致力于制定基于认知无线电技术的空中接口标准。该工作组将认知无线电技术确定为无线区域网络（Wireless Regional Area Network）的核心技术，将分配给广播电视的VHF用HF频带的频率作为宽带访问线路，用来支持未授权的认知无线电设备使用空闲的广播电视频段。此外，国际电信联盟（International Telecommunication Union）也在努力寻找类似认知无线电的频谱共享技术。1.2.2 认知无线电的未来研究方向(1)基本理论和相关应用为大规模应用奠定坚实的基础, 比较重要的内容包括认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术, 例如频谱资源的管理、跨层联合优化等。(2)试验验证系统开发目前, 已经有多个试验验证系统正在开发中, 这些系统的开发成功,将为验证认知无线电的基本理论、关键技术提供测试床, 推动其大规模应用。(3)与现有系统的融合目前,已经有一些研究工作在考虑将认知无线电集成到现有无线通信系统中的方法, 并取得了一些初步成果。预计未来对认知无线电与智能天线、软件无线电等的综合应用将会有大量的需求。( 4)频谱与路由联合选择技术认知无线电技术可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择, 而频率的改变通常需要上层协议如路由协议等进行相应调整。根据频谱的变化自适应地选择路由的频谱感知路由协议值得关注。此外，认知无线电认知引擎、认知算法、认知无线电的通用平台等, 都是值得深入研究的课题。1.3 论文安排本课题基于以USRP为平台构建和实现的多小区认知无线通信演示系统，研究多小区认知无线系统中选择接入和多路并传技术，并给出了在平台中相关技术的设计方案和具体实现过程。论文章节安排如下：第一章主要介绍认知无线电的技术背景、研究现状和发展趋势。第二章中首先介绍了基于USRP的多小区认知无线通信演示系统的总体场景、结构和需求，紧接着介绍了系统总各个模块的设计方案。最后介绍了系统的开发实现平台。第三章首先介绍了小区选择（重选）、切换的原理及设计一个切换方案需要考虑的各个方面因素，随后介绍了一种基于RSSI的代价函数基站选择策略。最后，设计了多小区认知无线通信演示系统中的选择接入模块的构建场景、支持方式、切换触发准则和切换控制流程。第四章首先简单介绍了多路并传、SCTP协议，之后重点设计了多小区认知无线通信演示系统中多路并传模块的实现方案并给出初步实现结果。第二章 基于USRP的多小区认知无线通信演示系统15第二章 基于USRP的多小区认知无线通信演示系统由于认知无线电的定义、关键技术及其在提高频谱利用率，提高通信灵活性、可靠性方面的诸多优势，以及认知无线电实际硬件平台缺少的现状。基于认知无线电的验证试验系统平台的开发成为了认知无线电研究领域的一个新的热点。本章中将主要介绍一个基于USRP的硬件平台的多小区认知无线通信演示系统的演示平台的设计和实现机制。该系统将认知无线电同多小区无线通信系统的概念巧妙的结合在一起，使得认知无线电的关键技术可以在更大的范围内得到实验的验证。2.1 演示系统结构图2.1 多小区认知无线通信演示系统场景图2.1描述了本系统的总体构建场景：在该系统中通信区域被各个基站分割为若干个逻辑上的小区。每个小区中包含一个基站、一个频谱感知传感器和若干个认知终端。各小区间可以通过以太网进行数据通信。在小区之上有一个管理中心和一个数据库。此外还有随机出现的模拟授权用户。基站作为一个小区的中心节点，需要具有以下功能：1）与小区内认知终端建立无线通信链路；2）处理小区内认知终端的接入请求、呼叫请求及切换请求3）记录和维护小区内已经接入的认知终端信息4）通过以太网与管理中心及数据库进行信息交互，上报和更新认知终端信息，查询呼叫请求中对端认知终端的信息，获得本小区内可以使用的频段块5）执行频谱分配算法为建立呼叫的认知终端分配频点和通信方式6）在分配的频段上，接收和转发通信过程中的数据帧。7）配合管理中心实施负载均衡算法。频谱感知管理器感知所处区域内的宽频带频谱信息，并周期性的将该小区的频谱感知结果通过以太网上报到数据库中。认知终端是作为小区内的用户，具有无线收发功能，选择并接入小区，小区间切换、发起和相应呼叫请求，用户数据业务的实际收发，动态的调整通信参数实现物理层的重构功能，实现多路并传的功能，接收负载均衡调度的功能。模拟授权用户通过发送随机的无线信号来模拟授权用户的信号，对授权频段进行随机的占用。数据库保存系统中所有频谱感知传感器的频谱感知结果，管理中心可随时读取数据库中的数据。系统中每个小区在管理中心根据目前频谱信息为其分配的一段频端范围内（可以是连续的频段也可以使不连续的频段块），每个小区使用不同的频段以防止小区间通信干扰。为了实现认知终端和基站之间信息交互，本文将小区工作频段划分为公共控制信道(CCCH)和业务信道两部分。公用控制信道用于认知终端接入小区。业务信道用于终端传输实际通信数据，每次通信时使用的信道是有频谱分配算法进行分配的。本文对该系统作了一些假设：（1） 每个节点都有一个唯一的ID号。频谱感知传感器、数据库及管理中心知道所有基站的ID号及相应的工作频段。（2） 每个认知终端包含有一个节点ID和两个USRP 的ID分别对应于其拥有的两台USRP。（3） 每个小区的公用控制信道采用的是授权频段，即频谱分配机构专门为多小区认知无线通信演示系统分配用于建立多个小区的公共控制信道使用，控制信道上不会出现较大干扰，并且认知终端知道所有小区的公用控制信道。频谱感知传感器只需要对小区的业务信道进行频谱感知。（4） 每个小区容纳比较少的认知终端，暂不考虑较多终端同时发起呼叫导致公共控制信道拥挤或专用控制信道不够用的情况。（5） 每个小区的覆盖范围较小，假设可以做到视距传输，不考虑发送数据延迟和乱序的情况，仅考虑无线信道收到较大干扰时造成信号的不正确接收。（6） 本章暂不考虑认知终端的小区切换情况和多路并传的情况，主要针对不同小区内的认知终端进行通信的方案进行设计。小区切换模块和多路并传模块将分别在本文第三章和第四章进行详细的介绍。本章中的认知无线电通信系统围绕上述的总体场景设计，本章设计的系统能够通过实时地频谱感知，使系统中的认知终端能够在分配的空闲频段上进行基本数据业务的传输，当授权用户信号出现时能及时让出频谱，在重新分配的频段上继续进行数据传输。2.2 系统各个模块的设定2.2.1 模拟授权用户模拟授权用户负责模拟系统所处的无线频谱环境，模拟授权用户对信道的占用情况外，检验认知终端和基站能否根据频谱环境的变化调整通信参数，从而避免对授权用户的干扰、保证认知终端之间通信的可靠性。模拟授权用户能够通过手动设置或自动生成的方式产生波形、频率、带宽、功率可变的无线信号，可以使用软件无线电平台模拟，或者使用信号发生器代替。模拟授权用户应该能够产生以下几种信号：1) 单频信号：频率可变的单频正弦信号用于检验频谱感知传感器的频谱感知分辨率。2) 宽带信号:能够产生中心频点、带宽、功率可变的加性高斯白噪声信号（AWGN信号），用于进一步验证频谱感知结果的正确性。3) 其他定制信号：可以通过软件无线电平台产生多种类型的调制信号，可用于模拟授权用户信号。2.2.2 频谱感知器频谱感知传感器需要对其所在小区使用的业务信息频段内的信号进行检测，检测算法参考了文献7中相关的内容，由于频谱感知器没有授权用户的先验信息且考虑到实现复杂度的问题，本文采用了能量监测技术信息频谱感知。频谱感知器是有周期图法对小区的业务频段信息功率谱估计，该算法的理论依据是维纳-辛钦定理，平稳随机信号的功率谱密度和其自相关函数为傅里叶变换对，周期图法利用对信号的采样值进行傅里叶变换来进行功率谱估计，又被成为直接法。频谱感知传感器开始工作时，首先进行初始化，载入自己的ID号，所属基站及感知频段。设置完毕之后就周期性地利用周期图法对小区业务频段进行频谱检测。为保证频谱感知的实时性，频谱感知传感器每隔Tsense时间进行一次感知，并将感知结果存入文档，通过以太网发送给管理中心。2.2.3 数据库数据库与频谱感知传感器以及管理中心通过以太网相连，负责系统中所有小区内频谱状态数据的存储。频谱状态表：通过使用TCP/IP协议，数据库可以随时接收各个频谱感知传感器上传的频谱文件，保证存储小区中最新的频谱状态数据；当管理中心发出查询某个小区的频谱数据的请求时，数据库能够给管理中心发送正确的频谱数据。为保证数据库能够正确区分各个小区上传的频谱文件，频谱感知传感器在上传频谱文件的同时也要告知数据库自己所在的小区ID（即基站ID）。数据库中存有一个表，由小区ID、传感器ID、频谱文件名这三个表项构成，为频谱数据文件提供索引。当管理中心查询某个小区的频谱数据时，根据小区ID这个关键字就能得到相应的频谱文件。图2.2 数据库图示2.2.4 管理中心管理中心是整个系统的管理和监控单元，它建立和维护两张重要的表格：小区状态信息表和终端状态信息表。其中小区状态信息表中的信息有：小区ID、各个基站的网络地址、小区分配的频段列表。终端信息表为每个终端维护下列信息：终端ID、终端状态、接入基站列表、两个USRP状态信息（包括ID、状态、接入小区、通信频道、带宽、调制方式）。管理中心收到基站的终端注册信息或终端状态更新信息后，修改此表中相应项来实时的管理系统中的终端信息。当接收到来自基站的终端呼叫请求时查询此表获得目标终端信息，进而完成呼叫的建立。管理中心开始工作后，进行初始化工作。管理中心首先载入自身的ID及网络地址和通信端口，建立TCP/IP通信的套接字接口。另外，管理中心需要初始化一下信息：数据库、管理中心及基站的网络地址；小区信息表和终端状态信息表；初始化结束后，管理中心进入INITIALIZED状态，在网络端口上监听来自基站的不同请求，收到请求后做出相应的响应.管理中心可能收到来自基站的以下请求：基站注册、终端注册、终端注销、呼叫请求、呼叫应答、频谱请求、呼叫拆除、拆除应答。收到不同的请求后，管理中心执行相应请求响应处理，具体过程如下：1) 基站注册响应。系统中一旦有基站开始工作，首先要向管理中心注册入网。管理中心收到基站注册请求后，回复确认注册消息，同时更新小区信息表，将注册基站列入其中。2) 终端注册及终端注销响应。当小区中有终端注册入网时，终端所属的基站向管理中心发送终端注册请求。管理中心收到请求后，在小区信息表中将该终端加入所属基站，并将终端状态设置为“空闲”。当小区有终端关机时，终端所属的基站向管理中心发送终端注销请求。管理中心收到请求后，在小区信息表中将该终端删除。3) 终端状态更新响应根据来自基站的终端状态更新信息，修改终端状态信息表中相关项。本章中设计的终端状态有：初始化、空闲、呼叫建立中、呼叫中。为了支持选择接入和多路并传模块的扩展，需要增加基站重选中、切换中、CMT_INIT 、CMT_INIT_ACK、 CMT_SUC、 SHUTDOWN_SENT 及SHUTDOWN_RECEIVED等7中状态。4) 呼叫请求及呼叫应答响应。当主叫终端发出呼叫请求后，主叫方基站会向管理中心发送呼叫请求。收到该请求后，管理中心查询终端状态信息表，确定目标终端状态信息，如果表中没有被叫终端，则向基站回复被叫关机；如果小区信息表中有被叫终端，但当前状态不是空闲状态，则向基站回复被叫正忙。此时当前呼叫请求被拒绝。如果小区信息表中有被叫终端，且当前状态为空闲，则进行呼叫建立工作。管理中心首先将主叫终端的状态设为呼叫建立中，并向被叫终端所属的小区基站发送呼叫请求。收到被叫基站的呼叫应答后，将被叫终端的状态也设置为呼叫建立中，同时在当前连接表中加入主叫和被叫终端，最后向主叫基站回复呼叫应答，该应答中包含了被叫终端的ID及其目前接入的小区ID、基站的网络地址、接入USRP的ID，以便主叫基站与被叫基站直接建立网络连接。此时呼叫建立过程执行完毕。此时将主叫终端和被叫终端状态同时更改为呼叫中。5) 呼叫拆除及拆除应答响应当主叫终端结束数据传输后，主叫基站会向管理中心发送拆除连接消息，管理中心收到后，更新终端信息表，将主叫终端的状态改为空闲状态。当被叫终端做出拆除应答后，被叫基站会向管理中心发送拆除应答消息，管理中心收到后，更新小区信息表，将被叫终端的状态改为空闲状态，同时在当前连接表中删除主叫和被叫终端。2.2.5 基站基站作为小区的中心，一方面需要有无线通信的功能，处理所负责小区内认知终端的无线接入；另一方面需要和管理中心、数据库及其他基站通过以太网进行信息交互，完成呼叫的接续和通信数据的传输。同时，基站还具有对本小区内的频谱资源的分配功能以及物理层重构功能，可以和认知终端配合实现频谱切换功能。基站开机工作后，首先进行初始化，载入自身ID号，将无线物理层参数配置为公用控制信道，同时初始化一下信息：数据库、管理中心及基站的网络地址表：存储数据库、管理中心及各个基站的ID与网络通信地址的映射，表项格式为，节点ID：网络地址（IP地址，端口号）；终端信息表：存储小区内当前注册入网的终端及其状态，表项格式为终端ID：状态，初始化时表为空。初始化结束后，基站立即建立TCP/IP通信的套接字接口，连接管理中心，进行注册。收到管理中心的确认注册应答后，进入一个等待状态。在无线链路上，处于等待状态的基站可能会收到认知终端的接入请求、注册请求，关机注销请求或者收到认知终端发起呼叫前的专用控制信道请求，成为主叫基站；在网络链路上，基站可能收到管理中心的呼叫请求，成为被叫基站。处理完每一个请求后，基站又会回到等待状态。（1） 接入处理。收到认知终端虚注册请求帧后，基站在终端信息表中加入注册终端，将其状态设为“空闲”，向终端发送确认注册消息。同时，基站通过以太网向管理中心发送终端注册消息，更新管理中心中存储的终端状态信息。（2） 注销处理。收到认知终端的注销请求帧后，基站在终端信息表中删除关机终端，同时向管理中心终端状态更新帧。（3） 主叫基站处理。当基站收到主叫终端的呼叫请求帧，首先更新终端信息表，将主叫终端的状态设置为“呼叫建立中”，随后向管理中心传递此次呼叫请求。经过管理中心的处理，如果被叫终端不在网内或正忙，主叫基站会收到管理中心相应的回复，之后基站将主叫终端的状态重新设置为“空闲”，并向主叫终端发送被叫关机或正忙的消息，结束此次呼叫连接。如果被叫终端空闲，可以进行数据传输，主叫基站会收到管理中心的呼叫应答，这个应答同时也包含了被叫终端的ID及其目前接入的小区ID、基站的网络地址、接入USRP的ID，以便主叫基站在数据传输阶段与被叫基站建立网络连接。主叫基站会将呼叫应答发送给主叫终端，提示终端被叫已准备好。此时基站为主叫终端的分配频点和通信方式：基站根据目前小区内频谱状态信息文件，执行某种频谱分配算法，得到当前可用通信频段，指派给认知终端。接收到终端响应帧后，将该终端状态更新为呼叫中，并同步该状态到管理中心。随后基站将一个USRP设置到指派频段，准备中转呼叫中的数据信息。同时同于以太网与被叫基站建立网络连接。在数据传输过程中基站负责无线传输内容的转发，主叫基站在无线链路上收到了数据数据帧，及通过以太网转发给被叫基站；从以太网上收到来自被叫基站的数据（确认帧），就通过空口发送给主叫终端。如果在数据传输的过程中，授权用户重新占用信道，会影响主叫终端和基站的无线通信，主叫基站也要具有某种机制与主叫终端同时进行频谱切换。基站通过目前的通信信道向基站发起频谱切换帧告知新的分配频点信息，终端在收到该帧后回复一个频谱切换响应帧，并直接切换到新的频点上，基站在收到响应帧后也将无线链路切换到新的频点上，继续中转呼叫终端数据信息。（4） 被叫基站处理。若基站在网络接口上收到管理中心的呼叫请求，将作为被叫基站为此次呼叫服务。被叫基站首先在公用控制信道上发送呼叫请求，被叫终端收到该请求后回复呼叫应答帧，基站收到该帧后，在公共控制信道上发送频点分配帧，收到终端的响应帧后，将基站的一个USRP切换到分配的频点上准备为其转发数据帧。并更改被叫终端状态为呼叫中，同时更新终端状态到管理中心。进入数据传输阶段后，中转数据帧的过程同上文中主叫基站处理过程相同。频谱切换也和上文中相同，不再赘述。（5） 小区状态帧的发送为了在认知终端实现选择接入功能需要周期性的发送小区状态帧以供终端测量信号强度同时可以告知终端目前小区状态。基站应该在公共小区内周期性的发送小区状态帧，目前设置的发送周期为0.5S。另外当基站内有终端处于呼叫中状态时，需要为其在分配的频点上以同样的周期发送小区状态帧。2.2.6 认知终端认知终端是系统中的用户，是呼叫的双方，是实际业务的发送者和接收者。终端与基站通过无线链路进行数据通信，具有可重构的物理层，能根据基站分配的通信资源实时地调整通信频点、带宽、调制方式等参数，以适应无线频谱环境的变化。认知终端开机后，首先进行初始化工作，之后进入注册入网阶段。此时终端的状态为“空闲”。当终端有业务需求时或者收到其他终端的呼叫请求，则执行相应的建立连接、通信资源请求及重构、拆除连接这一系列的操作，之后重新回到业务等待状态。如果终端准备关机，则进入终端注销阶段。2.2.7 链路层帧格式及信令设计本系统中的物理层由USRP通过设置频点和通信方式来实现。链路层设计主要应用于认知终端的USRP同基站的USRP传输数据帧和控制帧。链路层帧结构采用了类似HDLC中的设计。系统的帧分为三类帧：无编号帧、信息帧、和监控帧。无编号帧用于承载节点之间的信令；信息帧承载着认知终端传输的数据内容；监控帧用于返回对信息帧的确认信息，即ACK。无论是哪种帧，都使用统一的帧结构，由目的地址、源地址、控制域、数据域及CRC校验组成，只是在控制帧及数据域的内容有所不同。图2.3 链路层帧格式信令内容信令编码虚注册请求0001注销请求0010呼叫请求0011呼叫应答0100呼叫拆除0101拆除应答0110频点分配响应0111重选请求1000切换请求1001小区状态请求1010状态更新1011图2.4 认知终端向基站发送帧类型信令内容信令编码注册响应0001小区状态帧0010频点分配帧0011呼叫请求0100呼叫应答0101被叫关机0110被叫正忙0111呼叫拆除1000拆除应答1001图2.5 基站向认知终端发送的帧类型图2.4和2.5分别显示了本系统在为终端和基站间信息交互而设计的不同的帧类型和对应的信令编码。2.3 开发平台简介本次认知无线电系统的开发是在Linux环境下进行开发，采用USRP作为硬件平台，GNURadio作为软件平台，Python语言进行开发，用户界面采用wxPython编写。2.3.1 硬件平台介绍USRP(Universal Software Radio Peripheral)全称为通用软件无线电外设是一种为了实现软件无线电的构建而设计的低功耗高速率的USB 2.0外设8。USRP是连接GNU Radio和射频前端的桥梁。USRP提供了实现软件无线电所需的最小硬件。USRP母板包含有一个百万门的FPGA、4个高速的A/D转换器（64MS/sec 12-bit）、4个告诉的D/A转换器（ 128MS/sec 12-bit）和一个USB 2.0控制芯片。USRP母板有四个射频子板接口，2个用于发送、2个用于接收。USRP通过一系列的射频子板来实现信号处理软件和射频模块的结合，不同型号的子板覆盖不同的频率，能够实现不同的功能。在各种子板中，涵盖了从直流到5.9GHz 的频率范围，这包括了从调幅广播到超过WiFi的所有频率，充分体现了USRP的可扩展性。USRP主要处理的是无线通信系统的数字基带和中频部分。FGPA完成数字上下变频、抽样和内插等高速通用操作，数字中频和基带信号之间的相互转化。通过与GNU Radio结合，USRP可以实现最大8MHz的无线射频信号同基带信号之间的相互转化，通过USB传输最多8MS/sec的复信号。2.3.2 GNU Radio平台介绍GNU Radio是一个通过最小程度地结合硬件（主要是USRP），用软件来定义无线电收发，搭建无线电通信系统的开源软件系统9。GNU Radio 软件架构是基于将可重配置的信号处理模块（Block）连接成为描述模板无线系统中的数据流图（ Graph）。每个信号处理模块有特定的输入和输出流。根据信号处理模块，产生输出流可以是固定的速率也可以是与输入流速率呈一定比例的速率。由于C+具有较高的执行效率，原始的信号处理模块是通过C+来实现的。GNU Radio为用户提供了超过100个信号处理模块，包括各种滤波器、FFT变换、调制解调模块、时频同步模块等，另外用户可以根据实际需求非常容易的扩展新的处理模块。信号处理模块的连接和粘合、顶层调用模块和软件图形化接口是通过Python语言完成的。采用C+和python语言混合编程的方式使得程序既具有C+执行效率高的优点又保留了python脚本语言的无需编译、语法简单以及完全面向对象的特性。GNU Radio的应用10是通过流图机制建立的，如下图所示CNU Radio应用通过Python语言创建流图，顶层模块通过swig胶合剂调用信号处理模块，从而实现各种设计的功能。流图机制使得GNU Radio易于扩展，更加灵活。图2.6 GNU Radio应用架构第三章 选择接入的设计和实现33第三章 选择接入的设计与实现基于小区的无线通信系统通常由一系列的小区构成，每个小区粗略的对应于一块地理区域。每个小区有一个关联的基站作为该小区内的中心节点为小区内的无线收发单元即移动台提供接入服务。在这样的小区系统中，当一个新的呼叫到达时，移动台(MS)必须与一个合适的基站建立连接。同样当MS穿越小区边界时，必须进行小区间的切换，当相对于某个特定基站的通信质量下降而与另外的一个基站或者多个基站的通信质量上升时，用户终端应该具有切换到能够提供更好通信的基站。因此在基于USRP的小区认知无线通信演示系统中研究小区选择/重选、切换具有很重要的意义。本章主要对认知无线通信演示系统中的小区选择/重选以及切换进行了研究，首先介绍了小区选择和切换的原理及设计一个切换方案需要考虑的各个方面因素，并重点介绍了一种基于RSSI的代价函数基站选择策略。最后，在基于USRP的小区认知无线通信演示系统中设计和实现了选择接入模块，为系统提供了基站选择/重选和切换的功能。3.1 小区选择(重选)和切换3.1.1 小区选择和重选当移动台刚开机或者是处于空闲状态时，需要进行小区的选择和重选。小区选择重选处理过程的主要目的是允许移动台选择网络中的某个小区（如能提供最好通信信号的小区）作为其接入小区。这一过程要求每个处于空闲状态的移动台不停的监听附近基站的信号。在移动台和网络之前需要进行通信时（如呼叫到达时），移动台与基站直接会建立起一条无线链路。小区选择是移动台刚开始时运行的过程，小区重选则是在移动台已经选择了小区之后进行的过程，二者使用了相同的算法来选择小区，通常采用切换判决算法,以确认最佳的目标小区并发起切换。需要注意的是当移动台处于呼叫状态时，当移动台从一个小区转移到另一个小区是使用的是切换，这时小区选择和重选过程被掩盖了。3.1.2 切换切换是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。一般认为切换通常发生一下三种情况下11：由于信道传输特性的恶化导致移动台接收到的信号强度下降。移动台从一个基站覆盖区进入到另一个基站覆盖区的情况下，为了保持通信的连续性，必须进行切换。为平衡小区间的业务量而采取的负载均衡也需要切换。切换主要考虑三个方面的问题：切换准则、切换控制和切换时的信道分配。无线网络切换算法是一个广义的概念，其核心部分是切换决策引擎。切换决策引擎以切换测量值作为输入条件，根据决策引擎定义的切换触发准则，判断是否以及何时进行切换，输出目标小区并进行切换过程的控制和实施。通常切换判决需要考虑的因素有:RSS(接收信号强度)、CIR（载波和干扰比）、MS和BS之间的距离、MS的移动速度、网络容量和负载情况。切换性能的度量：呼叫阻塞率、切换率、时延、强制中断概率。3.1.2.1切换准则根据切换准则的不同，可以分为几类：1. 基于接收信号强度RSSI 的触发准则RSSI 是应用最广泛的切换触发准则。无线信道衰落通常包含由距离衰减引起的路径损耗和阴影效应为代表的大尺度衰落（慢衰落）和由多径效应引起的小尺度衰落（快衰落），基于RSSI的切换算法主要考虑距离衰减和阴影效应的影响，忽略多径造成的小尺度衰落。基本的RSS切换算法原理是选择信号强度最强的基站作为目标基站，但是由于波动的存在，这样做会早产频谱的不必要的切换，称作乒乓效应。为了预防乒乓效应，文献12采取了加窗平均和滞后余量相结合的措施来防止在接收信号足够强的时候的过早切换，系统对从各个基站测量所得的RSSI 采样值进行平均，只有当接入小区接的平均RSSI 与目标小区的平均RSSI之差超过个预先设定的滞后门限时，才触发切换过程。如何适当地选择平均窗的长度、滞后余量和门限成为该类算法的研究重点，文献13中对不同的切换类型来选择不同长度的平均窗、滞后余量。2. 基于载波与干扰比CIR 的触发准则：基本的RSSI 准则具有简单易实现的特点，但是由于RSSI 准则没有考虑系统的载波干扰比（CIR），它并适用于干扰受限的系统。为了弥补这种不足，文献14中提出了一种基于载波干扰比（CIR）和相应的误比特率(BER)的切换准则。CIR 和BER 可以更加准确的表示当前信道的通信质量。由于无线信道衰落和阴影的影响，CIR和BER也会有所波动，因此，为了使得切换准则更加可靠，需要为这种准则添加加窗平均和滞后门限等方法。3. 基于MS 和BS 之间的距离准则：实际系统中经常将距离准则作为CIR 或RSSI 准则的一种辅助参考。此外还有基于MS移动速度的触发准则及基于当前网络流量的触发准则。在实际系统中常常采用几种准则相结合的方式。文献15将CIR和BER相结合作为切换准则。文献16中采用了将位置和速度等信息与RSSI相结合的准则；文献17结合小区负载、切换处理时间和SNR确定切换门限。3.1.2.2切换控制方式按照切换控制权划分，切换可分为如下类型：移动台辅助的切换（MAHO）：网络要求移动台测量周围基站信号的RSSI，由网络根据移动台的报告作出切换的决定，GSM/GPRS、IS-95，切换时延在1S左右网络控制的切换（NCHO）：基站监测周围移动台信号的RSSI，根据某种切换准则，由网络启动切换过程，切换所需时间高达10S。移动台控制的切换（MCHO）：由移动台监测周围基站的信号，并启动切换过程。这种方式可以减轻网络的负担，切换时延小。3.1.2.3 切换执行过程一、 根据切换处理过程中新链路建立的途径来分类18，可以分为：1. 硬切换：当前链路在新的链路建立之前释放，优点是移动台在任意时刻仅占用一个无线信道，缺点是切换过程中可能会发生短时中断。为了使中断时间尽可能短，在网络中需要预先建立新的链路，主要用于GSM网络中。2. 无缝切换：当前链路在新的链路建立过程当中释放。新链路和旧链路可以并行传输数据，在切换过程中，只有旧的链路起作用，在切换的末尾新的链路被激活。这种切换方式需要移动台支持同时在两个信道上发射信号，需要占用更多的无线资源，优点是能够降低切换过程中的通话中断概率，保证通信质量。比较适合于动态信道分配的系统，在DECT标准中采用了这种切换方式。3. 软切换：移动台开始与新的基站联系时，并不中断与原来基站之间的通信，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量。软切换仅用于具有相同频率的CDMA信道之间。从移动台和网络的角度来看，两条链路中传输的是同一个数据流。二、 根据切换过程中信令交换的方式切换又可以分为：后向切换和前向切换。新链路的建立是通过移动台和目标基站之间的信令交换来完成的。信令交换可以通过固定网络或者是通过无线接口来实现。如果信令交换是通过原来的链路实现的，这种切换称为后向切换（Backward Handover）。后向切换适用于相同类型的小区之间的切换，后向切换的速度比前向切换的速度慢但是能提供对无线接口资源更好的控制。前向切换是指切换过程中信令数据通过无线接口直接传送到目标基站。在这种情况下，需要新的基站与固定网络建立链路。这种切换仅发生在移动台控制的切换，移动台通过对无线传输状况的具体情况来判断是否激活新链路，避免通过无线接口传输大量的测试数据，因为由网络来控制切换，网络向移动台发送切换命令的时延和频率都是很难调整的。前向切换不仅适用于相同类型的小区同样适用于不同类型的小区间切换，优点是切换速度快，不足是降低了网络对无线资源的控制力。在现有的蜂窝系统中只采用了后向切换，前向切换应用在无绳电话系统EDCT等其他的系统中。3.2 基于RSSI的代价函数基站选择算法无论是移动台处于空闲状态时的小区选择和重选，还是移动台处于呼叫状态时的切换，移动台选择适合的小区作为其接入小区的依据都是切换判决算法，两者的区别仅在于切换执行过程的不同。本节详细介绍了一种基于RSSI的代价函数基站选择算法19。切换策略通常基于优化一个依赖于一项或者多项参数的代价函数。最常见的策略是移动台为中心的切换策略，代价函数中仅考虑移动台对各个基站测量得到的RSSI，移动台通过选取使得代价函数最优的基站作为其目标基站，从来触发执行切换。具体策略如下图所示。图3.1 基站选择/切换流程图图3.2 移动台从两个基