电磁频谱感知实验系统通信协议的设计及实现.doc

电磁频谱感知实验系统通信协议的设计及实现 目录j商要?IAbstract?II目j j乏?III第1章绪论?111课题研究背景和意义?112本文主要研究内容及各章节安排?2第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计?321电磁频谱感知实验系统应用场景?322实验系统体系结构?323实验系统设计要求?424实验系统通信协议的总体方案设计?4241通信协议的总体框架?4242硬件平台的介绍?6243系统软件的总体设计方案?825实验系统通信协议的实现方案?9251帧格式自定义方案的设计?9252检测信道方案的设计?11253建立信道状态表方案的设计?11252握手机制方案的设计?14252数据传输方案的设计?1626系统通信协议的扩展方案?l827本章小结?19第3章电磁频谱感知实验系统软件的设计与实现?2131发送端的软件设计与实现?21311发送端软件设计方案?21312CC2500数据的读写操作?22313实验系统初始化配置及软件流程?25314发送端感知模块软件的设计?27315发送端握手模块软件的设计?28316发送端传输模块软件的设计?2932接收端的软件设计与实现?31321接收端软件设计整体方案?31322接收端感知模块和握手模块软件的设计?32323接收端数据接收模块软件的设计?3333干扰源的软件设计与实现?3434实验系统界面设计?36341系统界面初始化设置模块的设计?36342系统界面信道状态显示模块的设计?36343系统界面收发模块的设计?37344系统界面状态提示模块的设计?3835本章小结?38第4章电磁频谱感知实验系统软件测试和分析?39III41干扰源的软件测试?3942感知模块的软件测试?40421感知信道忙闲功能的测试?404。 2。 2信道状态表的测试?一4243传输模块的软件测试?42431工作状态切换相关问题及解决方案?42432传输过程中时延相关闽题及解决方案?43433传输机制测试过程?4445本章小结?44第5章电磁频谱感知实验系统的联调?4551系统联调实施方案?4552实验系统的联调过程?46521传输过程中加入干扰源的情况?46522传输过程前加入干扰源的情况?4953本章小结?50结束语?5I致谢?53参考文献?55攻读硕士学位期间的研究成果?57第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计11课题研究背景和意义第1章绪论随着社会的不断发展，无线电技术被广泛应用于各行各业中，与此同时频谱资源紧张的问题也日渐突出。 无线电频谱资源是一种不可再生资源1，按照目前无线通信宽带化发展趋势，第三代移动通信(3G3一Generati on)、超宽带叫WB，Ul tra-Wi deBand)等新技术不断涌现，无线通信业对频谱的需求将呈指数化增长，频谱资源供给矛盾凸显，目前频谱利用率较低是造成这一现象的主要原因之一。 影响频谱利用率较低的原因有两点一是世界上大多数国家采用静态频谱使用策略，致使很多国家的可用频谱资源几乎被分配完毕，留给新技术使用的非常少；二是由于频谱的利用不均衡，导致在一些非授权频段上无线通信业务十分拥挤，而在一些授权频段上，尤其是部分信号传播特性好的低频段，频谱利用率却很低。 美国国家无线网络研究实验平台项目的测量报告显示，3Gl-Iz以下频段频谱的平均利用率仅为52口J，这说明频谱仍有很多被利用的资源。 针对频谱资源紧缺的现状，各个国家为提高利用率采用了很多新技术，目前提高频谱利用率所采用的技术分类如图11所示。 由图11可以看出，提高频谱利用率的技术可分为提高频谱效率技术和频谱共享技术两种。 前者是在固定分配政策下提高频谱效率，它通过使用先进的通信技术，如自适应编码、自适应调制等，来实现提高频谱效率的目的，不过由于受香农信道容量理论限制，因此这类技术只能在一定程度上缓解频谱资源需求的压力，并不能从根本上解决频谱资源紧张的问题。 频谱共享技术是通过灵活的频谱瓷源共享机制，减少频谱资源闲置浪费的现象，实现频谱幂j用率的最大化。 它包含动态频谱分配、免许可开放接入以及保护授权用户的分级共享接入技术。 动态频谱分配(3I技术是指通信系统能够根据实际工作情况，对频谱资源实行动态分配免许可开放接入是指一些频段中，如ISM频段，各用户不分主次且无需授权，只要在一定发射功率范嗣内且不干扰其他频段，便可以使用该频段进行通信；分级共享接入技术是指在当前频谱分配情况下，通过开放授权频段，实现不同等级用户间的频谱共享，从而大幅提升频谱利用率”J。 自适应多天线?自适应塑塑垫查塑型认知无线电(Ca)图11提高频谱利用率的相关技术分类【51认知无线电(cR Cogniti veRadi o)是一种更加智能化的频谱共享技术-最早由Mi tola博士于1999年提出【610CR是泛指一切利用认知功能提高频谱利用率和系统性能的技术，其功能主要分为认知能力和重置能力【7J。 认知能力是指通信系统通过对外界电磁环境的感知，掌握无线电环境中频谱使用情况；重置能力是指系统能够根据感知结果结合事先设定的学习和决策算法，实现系统参数(如频率、调制方式、传输功率等)的白适应调制，从而完成数据传输工作。 认知无线电技术可以让无线通信系统具备自动寻找可用信道的能力，从而达到充分利用频谱资源的目的。 认知无线电的认知过程如图12所示，可以分为以下三个步骤J频谱感知在复杂的电磁环境中发现频谱空隙，并实时监测授权用户是否占用信道。 频谱分析分析感知得到的频谱空隙，掌握其状态特征。 频谱决策根据频谱特征，结合用户需求选择可用频段。 图12频谱感知认知无线电的认知过程【5】频谱决策后，用户在选定的频段上进行通信，由于电磁环境会随时间不断变化，频段的使用状态也会随之改变，系统将不断循环执行感知过程。 12本文主要研究内容及各章节安排本文基于搭建的硬件平台，研究次用户完成传输工作所需要的通信协议，并利用软件在硬件平台上实现此通信协议。 在公用频段24GHz248GI-z上，构建了主用户存在下的点对点数据传输链路。 论文共分为5章，各章节内容具体如下第1章为绪论。 介绍了本课题的研究背景和意义，阐述了本文的研究内容及各章节安排。 第2章为电磁频谱感知实验系统通信协议的总体设计方案。 首先根据系统应用场景和设计要求，确定了本文的研究目标；然后由系统具体要求，提出了实验系统通信协议的总体方案并对通信协议中的关键技术进行了分析；最后给出了通信协议的扩展和优化方案。 第3章为电磁频谱感知实验系统软件的设计与实现。 首先介绍了系统软件的总体设计方案，给出了CC2500数据读写操作和系统初始化配置的方式，定义了帧格式；然后设计和实现了感知模块、握手模块、收发模块和干扰源模块。 第4章为电磁频谱感知实验系统软件测试和分析。 对干扰源的软件模块、通信协议中感知模块和传输模块进行了测试和分析，介绍了调试中存在的问题和相应的解决方案。 第5章为电磁频谱感知实验系统的联调。 将研制的通信协议软件与硬件实验平台进行了联调，给出了次用户在不干扰主用户的前提下完成通信的整个过程，初步验证了设计方案的准确性。 2第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计本章首先将介绍系统的应用场景和设计要求。 然后提出了实验系统通信协议的整体方案，介绍了系统硬件平台，并给出系统软件的总体设计方案。 接着分析设计了通信协议的各个模块。 最后提出了通信协议的优化及扩展方式。 21电磁频谱感知实验系统应用场景本文源于国家科技重大专项“传感器网络电磁频谱监测关键技术研究”，主要研究电磁频谱感知实验系统的通信协议。 实验系统的应用场景如图21所示，系统的主要功能是在满足主用户优先使用信道的前提下，通过频谱感知，实现次用户间的通信，从而达到提高频谱利用率的目的。 实验系统的参与者，按照其在系统中获得服务的不同，可以分为两类1)主用户主用户在系统中是授权用户，可以随时使用系统中的授权信道进行数据传输，对系统中的信道有优先使用权。 2)次用户次用户在系统中是非授权用户，它可以通过系统检测出各信道的使用状态，从而利用主用户的使用间隙，在空闲信道上完成数据传输。 22实验系统体系结构嚣器(t0主用户图21实验系统的应用场景电磁频谱感知实验系统的体系结构如图22所示。 本实验系统的体系结构基于通用的OSI参考模型协议栈结构，但由于具备频谱感知、频谱选择和频道分配的能力，该体系结构具有一定的特殊性。 本课题所研究的通信协议主要处于体系结构中的物理层，其功能是感知信道状态以及提供透明的比特流传输，包括系统的频谱感知、信道估计和数据传输”。 当需要传输数据时，先利用实验系统对外部电磁环境进行频谱感知，搜索到当前可用的空闲信道；然后利用信道估计对感知得到的空闲信道进行评估，进而选择合适的发射功率和调制方式用于通信；最后在选定的信道上完成数据通信工作。 应用服务应用层管理?、w“一传输层网络层数据链路层物理层传输控制、，i路由管理、一分簇管理、自适肾路控、j图22电磁频谱感知实验系统的体系结构23实验系统设计要求簇控制信道选择本课题所研究的电磁频谱感知实验系统是基于认知无线电技术，通过电磁频谱监测，确定信道状态，从而解决复杂电磁环境下各级用户相互干扰的问题，达到最大化频谱资源利用的目的。 需要深入研究系统感知策略，并对其进行优化，提出缩短搜索空闲信道的平均时延的感知方案，借此提高系统的感知效率。 基于上述的目标，具体的设计要求如下1)设计并搭建实验系统的硬件平台，主要包括干扰源、控制模块和射频模块。 2)设计并实现实验系统的通信协议，主要包括数据帧格式的定义、感知机制和传输策略。 并通过软件在硬件平台上实现通信协议。 3)设计并完成实验系统的界面设计，形成良好的人机交互，能实时观察各信道的使用情况和信息传输状态。 24实验系统通信协议的总体方案设计综合上文的应用场景和设计要求，可以明确电磁频谱感知实验系统的基本功能，提出系统通信协议的总体方案。 241通信协议的总体框架实验系统在不干扰主用户信道正常使用的情况下，利用频谱感知技术为次用户提供通信服务，从而达到充分利用频谱资源的目的。 通信协议的总体构架如图23所示，主要包括数据帧格式、握手机制和传输策略。 4第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计实验系统通信协议感知机制捡铡信道1信道状态表数据帧格式传输策略握手机制j数据传输图23电磁频谱感知实验系统通信协议总体构架系统通信协议自定义帧格式的目的有两个一是让接收方能够利用帧格式识别出发送方的信息，并与信道上其他干扰信息区分开；二是接收方可根据帧格式信息，确定当前发送信息，并返回相应的确认信号，有助于发送方判断传输是否成功。 在感知机制中设定了检狈9信道的方法，并提出建立信道状态表的感知方案。 系统通过检测信道，判断其忙闲状态，然后将感知信道后的结果汇总为信道状态表，借此统计出一段时间系统各信道的状态，分析状态表并给出信道的感知顺序。 传输策略包括握手机制和数据传输两部分。 握手机制在系统通信协议中发挥着重要作用，它主要完成发送端和接收端的握手工作。 按照设计要求，系统中发送端会随机选取空闲信道，而接收端无法知道该信道位置，且系统没有可用的信令信道，因此需要按照握手机制完成与发送端的握手。 数据传输用来完成系统中的信息收发工作，解决传输过程中出现的数据丢失或确认信息延误等问题。 通信协议中的数据正常传输过程如图24所示，当系统上电后，发送端会按照感知机制对信道进行感知，获取各信道的状态信息，进而建立信道状态表。 当有数据需要传输时，发送端首先对各信道进行检测，找出空闲信道后，按照握手机制的设定，先发送信令信号。 而接收端上电后，处于各信道扫描状态，当在某信道上接收到信令信号，便返回确认信号。 发送端收到确认信号后，在该空闲信道上与接收端完成握手。 接着发送端开始发送数据，接收端收到后返回确认信号。 本实验系统在发送前必须先检测出可用信道，而不是使用固定的授权信道，同时发传输前要完成接收端和发送端的“盲握手”，系统通信协议的感知机制和传输策略正是用来解决这些问题，在实际系统测试中还会遇到握手超时、数据传输超时、数据过长及占用信道时间过长等问题，针对这些问题，本通信协议都提出了相应的解决办法。 本章25节部分对通信协议各模块做详细介绍。 242硬件平台的介绍发送方接收方翳黝各信道扫描，收到信令信号，发送信令ACKr、t发送ACK图24数据正常传输过程示意图实验系统的硬件平台由发送端、接收端和干扰源三部分组成。 干扰源模拟主用户占用授权信道，发送端和接收端模拟次用户收发双方。 它们的内部结构相同，都是由LCD显示模块、控制模块、射频模块构成，如图25所示。 下面将分别介绍各模块的功能和主要性能参数。 显示模块一卜CC2500I翻射频瀵豢I图25实验系统硬件平台示意图显示模块主要通过两方面的设计来实现。 一方砥通过在硬件上添加LCD液晶显示器来查看用户当前的工作状态；另一方面针对系统需求设计了操作界面，以便提高人机交互的便捷性。 通过串口将硬件平台与PC机连接，可以直接在电脑上利用界面对系统进行操作，便于控制实验环节和观察实验结果。 控制模块的功能是处理系统内部数据和控制系统工作。 本系统中的单片机芯片选用宏晶公司的STC89C516，该单片机的性能和资源如图26所示。 芯片STC89C516能够满足实验系统所需的计算6第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计速度。 1280byte的内部RAM数据存储器和64KB的内部程序存储器Fl ash，保证了单片机有足够的存储空间来保存程序和存储系统运行时产生的数据。 该单片机支持可在线编程，程序烧写起来十分便利，实际操作中只要直接通过串口把程序下载到单片机就可运行。 此外，芯片内部还提供了四个8位的Io口通道、3个定时器和5个中断源，有助于程序的编写。 上述特点说明该款单片机芯片能够很好地满足实验系统的需求。 64KN,存1篙j。 1、。 P1和狗导。 STC89C516鼍器并匿mxs，嗄位电路j，j*毒溅一一蠹擎?旦P480MP4O-P43。 MAx810复位电路j rl时钟频率oh?r91!?一一n一3个定时器5个中断源l一一图26单片机芯片STC89C516性能示意图系统中射频模块完成数据收发和频谱感知的工作。 实验系统选用了TI公司的CC2500射频收发芯片。 CC2500是一款低功耗高性能的多通道无线射频芯片【1“，工作在免许可的24GHz24835GHz频段上，符合实验系统工作频段的设计需求，且自带频谱感知功能，便于实验系统对信道的忙闲状态进行评估。 软件程序可通过配置其内部寄存器实现所需要的功能，譬如可配置CC2500CHANNR寄存器来选择信道数量，最多可将工作频段分为256个信道。 实验系统中，单片机STC89C516通过SPI接口与CC2500进行数据传输，使实验系统按照通信协议正常工作。 CC2500的物理接口由通用输出口(GD 00、GD02)及四线制SPI接口(SI、SO、SCLK和csN)组成，各引脚的功能如表21所示。 在程序中将对上述引脚进行配置。 表21CC2500各物理接口的功能引脚编号引脚名说明1SCLK同步时钟输入端2So数据输出接口通用的数字输出引脚，系统中用来3GD02作为频谱感知的输出信号，用以显示信道忙闲状态通用的数字输出引脚，系统中显示6GD00射频芯片当前的工作状态(发送或是接收状态)7CSN芯片选择信号，低电平有效20SI数据输入接口7243系统软件的总体设计方案实验系统软件的总体框架如图27所示，将软件各模块按硬件相关、协议相关和操作相关进行分类。 与硬件相关的软件包括LCD驱动程序、串口驱动程序和CC2500读写驱动程序，用来实现底层硬件的基本功能，本文中完成了CC2500读写驱动程序的设计与实现。 与通信协议相关的软件分为感知模块、握手模块和传输模块三部分。 感知模块具体实现协议中感知机制的功能包含检测信道状态和建立信道状态表，握手模块和传输模块共同完成协议中传输策略的任务。 软件模块中，发送端和接收端涵盖了上面与协议相关的三个软件模块，而干扰源软件中只需传输模块便能正常工作。 与操作相关的软件主要是CC2500初始化和系统界面软件程序，前者是为达到设计功能对射频芯片CC2500进行的初始化设置，后者是为了在PC机上实现对系统的操作，便于控制系统和观测系统试验结果。 为使系统正常工作，本文除了设计并实现系统通信协议程序外，还将完成硬件驱动和系统操作相关软件的设计及实现。 操作相关协议相关系统初始化感知模块J歪二i硬件相关LCD驱动握手模块lf厂ij。 ，。 L一一一串口驱动系统界面传输模块L!_。 曼一L望图27系统软件框架图CC2500读写驱动JT发送端R接收端N干扰源实验系统的数据传输过程如图28所示，按硬件平台组成和功能可将程序分为发送端、接收端和干扰源三个部分。 它们的工作流程分别是发送端进行频谱感知建立信道状态表并及时更新，有数据需要传输时，先进行频谱感知，找出空闲信道，在空闲信道上发送握手信号，完成握手后，向接收端发送数据，传输完成后继续感知并更新状态表接收端开始工作后，对各信道进行感知，找出有信号传输的信道，接收并判断是否是握手信号，收到握手信号后，在该信道上与发送端完成握手，随后接收数据；干扰源主要是按照程序设定工作模式占用一个或几个信道使其状态由空闲转为忙碌。 本文主要基于软件框架中的软件模块，设计出符合要求的发送端软件、接收端软件和干扰源软件，烧写到硬件中，实现通信协议的功能。 在第3章中将具体介绍各模块软件的设计实现过程。 茎!主皇壁塑堂壁塑墨竺塑望笪查室堡生r jH意一Tir i0卜乏i箩_2i上；r_发送端图2,8实验系统数据传输示意图25实验系统通信协议的实现方案251帧格式自定义方案的设计接收端实验系统通信协议中为了适应感知模式下的无线信道传输，对传输数据的帧格式进行了定义，自定义的帧格式如图29所示。 数据帧由前导码、同步字、长度域、地址域、R校验码、信息序号、信息数据及CRC校验组成。 前导码46讲e霉?据嗽IWt醒=数据或=二=二=千255byte图29数据帧格式前导码是一个由0和1(01010101?)组成的序列【131。 在CC2500中前导码的最小长度可通过定义内部寄存器MDMCFGl来确定。 该寄存器中有3位来确定前导码的长度大小，如表2,2所示。 实际操作中需根据电磁环境的实际情况来调节前导码长度，系统程序中将其前导码长度设为4byte。 在实验系统中，前导码主要起到时钟同步的作用，当信息开始传输时，调制器先传送前导码，当前到字节传送完毕后，再发送同步字，然后开始传送发送缓存器内的信息，如果此时缓存器尚无信息，则继续传送前导码直到缓存器内写入第一个字符，随后传送同步字和数据信息。 9长度域晒辨碲表22前导码长度设定对应表NUM PREAMBLE20前导码的长度0 (000)21 (001)32 (010)43 (011)64 (100)85(10I)126 (110)167 (111)24同步字在实验系统中主要用来实现帧同步。 系统中同步字是由寄存器SYNCl和SYNC0来设置的，两个寄存器共同组成16位的同步字，其中SYNCl代表同步字的高8位，SYNC0代表同步字的低8位。 此外，如果系统需要，程序可以设置寄存器MDMCFG2，该寄存器能在数据阵中将原帧格式中的同步字重复一遍。 进而仿效出32位同步字。 本实验系统选用16位同步字。 长度域用来表示数据长度，数据包支持的最大长度是255byte，为防止发送过程中缓存器无数据发送，系统会自动添加补充数据，可根据信息长度位鉴别出有效信息。 地址域在系统扩展组网模式下起寻址作用，目前实验系统没有用到。 CC2500同时支持固定长度数据包协议和可变长度数据包协议，晟大的数据包长度为255byte。 通信协议中通过配置数据包控制寄存器PKTCRL0和数据包长度寄存器PKTLEN，选择固定长度为255byte的数据包。 在数据域中为了提高通信质量，除CC2500自身设定的2byteCRC校验码外，还自定义了l byteR校验码和4byte信息序号。 R校验码是为了提高传输数据的正确性而设定。 在数据传输时，定义数据域第一个字符为R，接收方接收到数据后进行检测，只有当第一个字符为R时，证明接收信息无误，保存数据返回确认信号；否则判定为干扰信息，并将其合弃。 序号位是为了解决传输过程中数据帧重发冗余问题而设定。 发送端给每帧信号编上序号，接收方对照序号可以判定是否为当前传输的数据帧。 信息数据跟在序号位后面，它是实际需要传输的数据信息。 CRC为CC2500中自带可选的循环冗余验证码，同样是用于提供检错能力。 系统在发送模式下，数据包的处理过程如下需要传输的数据必须先写入发送缓存器，如果能获取数据包长度，那么第一个写入缓存器的必须是长度字节。 系统通信协议使用的是固定长度数据包，因此数据长度自动可获得。 由于系统并未组网，所以帧结构中地址域在操作时可忽略。 调制器会先送入4byte的前导码使时间同步，此时如果缓存区中有数据可用，随后调制器会发送4byte的同步字，接着发送包含R校验码和序号的数据域，虽后校验和计算发送缓存的所有数据进而确定2byre的CRC。 系统在接收模式下，数据包的处理过程如下解调器将会搜寻有效的前导码，而数据包处理单元会搜寻同步字。 在此之后包处理单元得到字同步，解调器开始接收第一个有效数据。 实验系统中数据包第一个接收到的是长度字节，随后跳过检查地址，开始接收数据域，数据包处理单元会计算CRC，并将它和接收数据中的CRC比较，两者相匹配的话，苒检验R校验码，检查无误后证明成功接收到信息，接收方可返回确认信息。 J O第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计252检测信道方案的设计在系统中为避免干扰主用户，只有空闲信道允许次用户暂时使用。 信道检测的目的就是通过对信道的监测来确定信道是否为空闲信道。 一般而言，信道检测方法有能量检测、匹配滤波检测、两步检测、循环平稳特性检测、协方差盲检测等。 本实验系统选择能量检测的方法，根据在信道上接收信号的能量或功率大小来判断信道上是有效的传输信号还是噪声信号。 能量检测的实现原理如图210所示，信号首先通过带通滤波器处理，然后再通过平方器和积分器获得T时问内接受信号的能量，归一化后与设定的判决门限值比较，从而判断信道的状态。 一x(t)BPF严蟹孚丛坦PP千骂2No图210能量检测原理图实验系统可从CC2500中的状态寄存器RSSI获得接收信号的能量大小。 RSSI值是由接收模式下信号增益设定和信道中信号能量大小共同决定的。 在接收模式下，RSS值能从状态寄存器RSSI中连续读取出来，通过芯片说明书中的计算方式可将读出的2进制数转换为信号实际功率值。 判断门限也能通过配置CC2500的寄存器AGCCTRL2来设定。 门限值不能设置过高，否则会出现虚警情况15J(信道并没有被占用，但系统错误判定信道忙)，损失一些信道接入机会；门限值亦不能设置过低，否则会出现漏检(信道被占用，但是系统错误判定信道空闲)情况，干扰主用户的使用。 经过测算，在系统传输速率为24kbps的情况下，将CC2500的寄存器AGCCTRL2设置为0xC7，即系统门限值为-815dBm。 在系统检测信道时，若接收能量小于815dBm，则信道判定为空闲；若接收能量小于一815dBm，则信道判定为被主用户占用。 信道检测在协议中应用于协议中除帧格式外的各个模块。 它是信道状态表建立的基础；利用它在握手过程中辅助接收端搜索握手信号；通过信道检测在数据传输时由发送端寻找到空闲信道。 下面将对这几个模块做具体介绍。 253建立信道状态表方案的设计实际操作中，实验系统为了能够充分利用频谱资源，最理想的方式就是对目标信道进行连续不问断的感知，时刻掌握各个信道的状态。 在需要进行信道切换时，便可及时找出空闲信道，从而充分利用主用户传输的频谱间隙，弗完成次用户的传输工作。 但是由于硬件设备、能耗等外部条件的限制，这种感知方式是很难实现，必须在现有技术下选择一个合理的感知策略。 感知机制一般可以分为主动感知和被动感知两种【l“。 被动感知机制工作方式为次用户寻找到一个空闲信道，如果此信道能满足其带宽需求，就采用这个信道传输数据。 如果在传输过程中，信道被主用户占用，则次用户再寻找新的空闲信道。 如图211所示，一个拥有3个信道(Chl，Ch2，Ch3)的次用户系统需要发送数据时，按照从Chl、Ch 2、Ch3的顺序进行感知，找到可用信道后开始传输数据。 如果在发送过程中信道被主用户占用，次用户需要通过再次感知，寻找空闲信道。 可用信道可用信道沓按需的频熏谱感知蒺曩童1啥食含t鼢、。 信道切换时刻图211被动感知机制示意图本实验系统的主动感知机制如图212所示。 主动感知机制的工作方式为，次用户不进行数据传输时，周期性地感知各个信道，将结果为信道状态表。 当有信息传输时，次用户按照信道状态表的顺序开始寻找空闲信道。 誉爷管彳箭誉彳t-t。 食食t含量管管食含t畲譬食食ml可用信道Ch3奈周期性频秀t童謇餐畲童童食F嘴瞪虿?谱默4鬻m_mi一_食鬻熬j嫩绷趱街篮掣雠罐簧雠、，7信道切换时刻图212主动感知机制示意图12一一一。 一1一tt_m地譬tJ hC第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计与被动感知机制相区别的是，主动感知机制下，除了因系统需要的感知外，还周期性主动感知各信道的状态，并按照一定策略形成信道搜寻信息。 当次用户需要通信或是切换信道时，会利用周期性主动感知的结果，快速寻找到可用的空闲信道。 两种感知机制的优缺点如表2-3所示表23被动感知机制和主动感知机制优缺点16】优点缺点由于缺少信道状态的先验信息，当需要搜索新信道时总要按顺序只按需感知，无周期性感知，总依次感知，直到找出空闲信道为被动感知机制感知次数很少，节省能量开销。 止，信道切换的平均时间较长。 当信道数目很大时，切换延迟也很大。 在按需感知以外，周期性对信道进行感知，得到信道状态信息，总感知次数较多，增加系统的能主动感知机制对次用户搜索空闲信道提供一定量开销。 的参考，进而缩短信道切换的平均时间。 本文在实验系统通信协议中选用主动感知模式，理由如下1)实验系统硬件平台中，感知功能和通信功能已集成在射频芯片CC2500里。 根据CC2500的使用说明，如果采用被动感知方式，用户在数据传输过程中要中断通信，切换到感知模式去检测主用户是否已占用，从而确定是否需要切换信道，所以为了节省寻找空闲信道时间，必须要在前期对信道状态进行。 2)实验系统所设计的主动感知机制是当发送端处于闲置状态下时，对信道按先后顺序进行循环周期性感知。 这样在采集信道状态表数据的同时不会影响到数据传输。 在数据传输过程则通过按需感知来检测主用户和进行信道切换【17】。 有了前期的信息准备，可有策略的选择按需感知的顺序，缩短寻找可用信道的平均时延。 3)系统中选用的信道数量为10，随着系统的拓展，信道数目会大幅增加。 由表22可知，被动感知机制在信道数目较大时，信道切换延迟较大，频谱利用率较低。 4)在设计过程中，重点考虑数据传输链路的质量【1引，因此需要次用户在通信初始化阶段能快速找出空闲信道，而设计工作对硬件平台也没有移动性的要求，故不考虑能量损耗。 选择好感知模式后，系统采用了通过主动感知建立信道状态表的感知方案。 实验系统中设定了10个信道，由于每个信道感知花费时间很少，几乎可以实时检测出信道状态，当系统没有传输请求时，由信道状态表记录每个信道的状态。 若次用户需要寻找空闲信道时，可由信道状态表给出前段时间内信道的优差次序，从而节约搜索空闲信道的时间。 在系统中要注意信道状态表的更新，使其能够反映出最近时间的信道使用情况。 信道状态表Il9J建立及更新过程如下1)建立一个10n的矩阵，这里将系统感知10个信道的周期设定为3ms，”应随信道个数、电磁环境等因素的变化而做出调整，协议中将n定义为1000，初始的理论感知时间为3s。 每一行记录一个信道的忙闲情况，忙记做l，闲记做0。 13R蚴=置。 是。 B。 墨。 2R22恐。 2墨。 R。 ，恐。 3置。 nR2。 行B。 盯量叫墨呶2置。 舶?墨呶珂2)上电初始化之后，3s内建立好初始矩阵，第i次感应到k号信道的忙闲记录到元素R。 ，上。 当没有数据传输时，系统继续以3ms为周期，对原矩阵进行更新，更新原则是最新的记录替换存在时间最长的记录。 3)当有数据传输时，系统会更新到第10行的元素，确保一轮信道状态都得到更新后，再开始后续传输工作。 完成传输工作之后，系统会从上次中止的位置开始继续进行信道状态表的更新。 4)数据传输时开始寻找空闲信道，此时根据信道状态表给信道排序，排序方法是将各行元素相加，组成一+l Oxl的矩阵，E“=最，对矩阵日里的元素按从小到大排列，由此观察前三秒内哪个信道空闲几率较大。 需要传输信号时，发送端便按此顺序对信道进行感知获得空闲信道。 系统需要传输数据时，发送端可利用信道状态表快速寻到到可用的空闲信道，在该信道上与接收端完成握手，两者的握手过程设计在下节介绍。 252握手机制方案的设计实验系统使用的是以信道感知为基础的自适应技术和跳频通信相结合的通信技术，数据传输时发送端通过信道状态表分析信道近一段时间内信道质量，检测出空闲信道，在传输过程中每传送完一帧信号就感知信道状态，利用跳频技术避开正在工作的信道。 因此系统次用户的握手分为两种情况一种是发送端在更新信道状态表时，有数据发送请求，找出空闲信道后寻求握手另一种是在数据传输过程中，感知当前信道情况，从而确定下传输信道，并在该信道上完成新的握手。 针对第一种情况，握手协议制定的过程如图213所示。 发送端在收到数据发送请求后，先寻找可用的空阑信道，找出后发送握手信号。 然后在该信道上等待确认信号，如果收到确认信号，则证明握手成功可以传输信号，如果在3ms内没有收到确认信号，则证明在此信道上握手失败。 系统将重新寻找空闲信道，继续尝试握手。 接收端的握手过程是开始工作后对信道进行感知，检测出有信号传输的信道，找出后在该信道上接收信号。 如果在10ms内未收到握手信号就返回继续寻找新的数据信道，如果收到握手信号，便返回确认信号，等待接收数据，如果在10ms内没有收到数据，则发送端返回到初始的感知有信号占用的信道，寻求握手信号。 设计握手机制的方式是，空闲信道由发送端检测出来，发送端会在上面发送信号寻求握手，接收端并不知道发送端所在信道，只能对有数据传输的信道逐一扫描，直到找到握手信号后，才能确认发送端所在信道，进而返回确认信息，完成握手。 若是完成数据接收或是等待超过10ms，接收端将回到感知状态。 14第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计(a)发送端图213握手过程状态图(b)接收端第二种情况如图214所示，电磁频谱感知实验系统的传输较长信号时在时域上是一个多频频移信号，在每段信道上的驻留时间是相等的；信息传输时从频域上看信号频率在射频芯片的工作频率带24GHz-248GHz上随机跳变2“，时间不同时，信息频率可能不同也可能相同，某时间选用的通信信道取决于当时的信道状态和发送端感知顺序。 这种情况下发送端选择的发送信道可能一直在变化，想要继续传输的话，需要重新握手。 信号带宽信道驻留时问图214切换信道通信时频矩阵示意图与第一种情况的握手情况相比，将握手过程进行稍微的修改。 接收端的过程不变，继续扫描信道寻找握手信号。 发送端做了一定的修改，如图215所示。 在发送完一帧数据后，发送端会先感知当前信道。 若信道空闲，则直接发送握手信号，等待确认；若信道忙，则转到寻找空闲信道的状态，过程和第一种情况相同。 252数据传输方案的设计图215传输中发送端握手过程状态图系统在传输中主要会出现两个问题21】一个是传输中信道出现差错，使信息不能准确到达目标方，这里的信息包括需传输的数据信息和确认信息；另一个是发送方发送信息后，接收方来不及处理数据返回ACK。 对此，实验系统通信协议通过一些传输方式来解决上述问题，增加系统传输的可靠性。 当信道产生差错时，发送方将重新发送出现差错的信息；当接收方不能及时处理数据时，将令发送方降低发送速度，等待接收方处理完成后，再进行数据的传输。 下面将进行具体介绍。 发送方接收方7M1、，tIM2确认ME、?t，t16第2章电磁频谱感知系统的总体方案设计发送方接收方发送方接收方、，确认M、丢弃重复的?1，重新确认M1，t确认MI(a)重复接收处理(b)确认迟到处理图217重复接收处理(a)和确认迟到处理(b)确认MIt图217(a)说的是另外一种情况，接收方所发送的对信息M，的确认信号在信道传输中丢失了。 发送方在设定的T时间内没有收到确认信号，则重新找到新的空闲信道建立连接，将再次发送M-。 接收方接收到后需要比较数据的序号，如果序号显示为已经接收到的信息，则丢弃重复信息，但会再次发送确认信号。 接收方有时会出现发送确认信号迟到现象，如图217(b)所示，这时发送方在没有收到确认信号之后依旧会重新发送M，直到接收到确认信息才继续传输下面的数据。 当过段时间收到第一次发来的确认信号，发送方将不做任何操作；接收方此时会收到重复信息，只要根据信息帧格式中的序号做丢弃重复信息处理即可。 在程序中要实现以上功能必须注意以下三点1)协议需要在发送方每一次发送中设定一个时间T，如果在Tt内收到确认信号，则发送正常；如果超过时间还未收到确认信号，则需要重新发送信息。 T1比系统传输一次的平均往返时间要长，当然T不能太长，否则会降低通信效率，同时T也不能太短会导致不必要的重传，实验系统中设为平均传输时间15倍。 2)发送方每次发送完信息后，需要暂时保留信息副本，直到收到确认信息后，方可将信息副本删除。 3)利用帧格式给每个信息定义特定编号，以确定信息的接收情况，接收方成功接