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1、河北结合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY说明书文题目：小型认知无线网络通信协议的制定与设计 2021年05月30日摘 要认知无线电网络具有动态、灵敏、智能地使用频谱资源进步频谱利用率的特点其网络构造和协议体系的设计是实现上述网络功能的关键。现有认知无线电技术的网络架构主要有的CORVUS系统IEEE 802.22的无线域网(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并在此根底上设计了一种小型认知无线网络的通信协议。通过协议
2、程序复杂度的角度切入对该协议进展了分析。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 AbstractCognitive radio networks have the abilities of utilizing spectrum dynamically agilely and intelligently and improving the efficiency of spectrum usage. Consequen
3、tly both the protocol and aritectural designs for cognitive radio networks is very crucial. The network aritectures 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 sporting m
4、ulti-annel and multi-interface； related network protocols are of CORVUS system the XG system for military applications and WRAN.A cooperative spectrum sensing method of all -scale cognitive wireless network is proposed. On this basis a munication protocol of all -scale cognitive wireless network is
5、designed. Starting from the program plexity this paper analyzes and evaluates the munication protocol. pared with other typical protocols the performance of this protocol is improved by using the meani of centralized control distributed sensing and point to point munication. The stability and plexit
6、y of the system are taken into account.Keys： cognitive radio； network aritecture； network protocol；cognitive wireless network； collaborative awareness； munication protocol； program plexity 目 录摘 要IABSTRACTII章 绪11.1 认知无线电的产生背景和特征122331.2认知无线网络的研究背景4第2章 认知无线网络的简介52.1 认知无线网络的概念52.2 认知无线网络的特点5666第 3 章 认知
7、无线网络的体系构造83.1 目前提出的具有代表性的认知无线网络(CRN)体系构造83.2网络架构89993.3 协议体系101011133.4 CRN网络动态接入151617第4章 小型认知无线网络的关键技术184.1引言184.2认知无线网络的频谱感知1818194.3认知无线网络的频谱分配202021214.4 短间隔 无线网络的特点和实例2222224.5小型认知无线网络的特点和研究重点222323第5章 小型认知无线网络通信协议的设定245.1 认知无线网络的环境感知2424245.2 认知无线网络的通信协议设计252525265.3 其他典型通信协议架构形式27结 29参考文献30谢
8、 辞31 章 绪无线频谱资源的紧缺是限制无线挪动通信与效劳应用持续开展的瓶颈作为一种智能的性频谱共享技术认知无线电Cognitive RadioCR被称为将来最热门的无线技术。它通过对授权频谱进展“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拓了一条新的途径对有效解决有限的无线资源条件下进步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。认知无线网络可以利用环境认知来获取环境信息通过对环境信息进展处理和学习做出智能决策并以此进展网络重构实现对无线环境的
9、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 RadioCR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才能通过对周围无线环境的历史和当前状况进展检测、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宜的无线资源包括频率、调制方式、发射功率等完成无线传输。认知无线电可以帮助用户自动选择的、最廉价的效劳进展无线传输甚至可以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图1-1 认知无线电系统 频谱空穴信息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
10、的出现,到如今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、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开展。这个时正是G网络在全球范围内普及的时,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,正是为应对这种宏大的需求所产生的。在频谱资源日益紧张和数字通信技术日益兴隆的大背景
11、下,认知无线电技术的产生,是历史开展的必然选择。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的根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 FCCFederal munications mission和著名学者Simon Haykin教授的 定义。 FCC认为：“CR是可以对其工作环 境的交互改变发射机参数的无线电。Simon Haykin 那么从信处理的角度出发认为：“CR是 一个智能无线通信系统。它可以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(比方传输功率、载波频率和调制技
12、术等)使其状态适应接收到的无线信的统计性变化以到达以下目的：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。CR应该具备以下2个主要特征：(1) 认知才能 认知才能使CR可以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所示的认知环进展表示包括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适宜的频段传输数据。(2) 重构才能 重构才能使得CR设备可以根据无线环
13、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效劳。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防止对LU的有害干扰。 为了便于理解CR的根本原理有必要将CR与软件无线电(SDR)进展区分。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的根本前提是：局部或者全部基带或RF信处理通过使用数字信处理软件完成；这些软件可以在出厂后修改。因
14、此SDR关注的是无线电系统信处理的实现方式； 而CR是指无线系统可以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处理还包括根据相应的任务、政策、规那么和目的进展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根本功能：一般来说认知无线电系统必须具备以下根本功能： (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主要有信道状态信息的估计、信道容量的。 (3) 功率控制和动态频谱理。 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
15、线电的重要研究工程。例如德国高校提出的频谱池系统、加州大学Berkeley分校研究组开发 的COVUS系统、Georgia理工学院宽带和无线网络实验室提出的OCRA工程美方DARPA的XG工程、欧盟的E2R 工程等。在这些工程的推动下在根本理、频谱感知、数据传输、网络架构和协议等领域获得了一些成果。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展宽带无线接入的技术这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术化活动。 2004年10月IEEE正式成立IEEE802.22工作组IEEE802.22别名称为
16、“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播送的VHF/UHF频带(北 美为54MHz862MHz)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。假设此目的得以实现总计300MHz400MHz的频带将可用于室外宽带通信。1.2认知无线网络的研究
17、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。认知无线网络可以利用环境认知来获取环境信息通过对环境信息进展处理和学习做出智能决策并以此进展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开展变化的过程即：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(支持所有形式所有频段)来侦测、发现并协商适宜的工作频率、波形及协议。然而随着研究工作的开展与深化这一传统“无
18、线电视角逐渐暴露了限性：所谓“全能型收发信机的实现本钱、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无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将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。目前欧美等兴隆和地区已经开始进展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
19、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开展和深化研究Motorola及Virginia Te等提出了无线认知网络Cognitive Radio NetworkCRN的概念他们认为无线认知网络是一种具有认知才能的网络可以感知网络当前的状况并根据当前的状况来方案、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局部分布式穿插来实现。无线认知网络能化操作者的才能。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
20、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展规划、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。最终目的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局部。假设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好的认知无线网络。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。而端到端的目的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区别开来。 认知无线网络应该将对网络性能的
21、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响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敏性以支持将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的。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响环路分析行动对外界环境变化进展响应逐步修正到达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历学习选择最优的行动决策并通过重配置方式进展相应参数的调
22、整。这个阶段涉及无线频谱资源的分配和理、对异构无线网络资源的结合理望得到资源的利用效率从而获得系统性能的提升。为了实现这一目的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Self-x利用其自配置、自理、自优化的特性对网络进展实时监测和调整。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。由于将来必定是多种异构网络共存的场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正确的网络从而为用户提供的端到端QoSQuality of Service保证认知为这一目的的实现提供了重要的手段。为了进步认知的
23、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展分配变得尤为重要。因此目前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进步资源的利用效率。主要相关的技术有：信检测技术、感知导频信道CPCCognitive Pilot annel技术、数据库技术。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。对系统响应结果进展学习并将学习结果输入策略库以便下
24、次发生一样的变化时采取经历条件下最优的行动策略。简而言之望通过经历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响学习阶段就是逐步分析这些反响以到达最正确策略继而完成学习的过程。相关的学习主要有：监视学习、非监视学习和半监视学习。1频谱理 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展整合按照一定的公平原那么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
25、户和非授权用户间的关系进步频谱理的效率新的频谱理思想和理规那么亟待提出以适应用户的需求和技术的开展。 2结合无线资源理 各种异构无线接入技术RATRadio Access Tenology共存将会是将来无线网络环境的一大特点。详细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效劳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进步系统性能和资源利用率带来更好的用户体验。 结合无线资源理JRRMJoint 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结合会话接纳控制、结合会话调度、结合负载控制和切换等功能来
26、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展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交融使得协议栈可以以全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展综合优化的方式。跨层的设计思想实现了对网络资源的有效分配到达了进步网络的综合性能为用户提供更好效劳的目的。 4Self-x技术 下一代网络交融了多种异构网络这极大地增加了网络理的复杂性针对此问题研究人员提出了自主计算AC
27、Autonomic puting的异构无线网络自主理架构。 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、构建一个可以自理的计算系统来实现系统的自我理以便将理人员从复杂理任务中解脱出来降低系统的复杂性减少理本钱。它的本质是由系统主动监视自身的运行状态并按照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理Self-management功能主要表现为：自配置Self-configuring、自恢复Self-healing、自优化Self-optimizing、自保护Self-protecting。以上自主理的功能也被称为Self-x。 第 3
28、 章 认知无线网络的体系构造3.1 目前提出的具有代表性的认知无线网络(CRN)体系构造 认知无线电是一个智能无线通信系统它可以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状态适应接收到的无线信的统计性变化。 CR技术的认知无线电网络具有动态、灵敏、智能地使用频谱资源进步频谱利用率的特点其网络构造和协议体系的设计是实现上述网络功能的关键。现有认知无线电技术的网络架构主要有的CORVUS系统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
29、的认知无线电网络由于其独特的频谱复用性和宏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展有效的控制和理 同时满足延迟和带宽要务实现数据传输调度。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、业务流的效劳质量(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才能。中心控制器在需要情况下应该可以将多个邻近频道进展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用户终端哪些信道可以聚合成组以供使用 而用户那么可以相应地采用多信道形式工作。
30、中心控制器要具有可以处理跨越多个子信道的上下行传输才能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进步了带宽利用率。主用户检测程序和分布式感知才能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、局部重叠区内认知网络实体的共存问题。为防止对主用户的干扰分布式频谱感知、测量、检测算法以及频谱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宏大的多个认知无线电小区之间很有可能会发生局部重叠最坏情况下甚至完全重叠。由此引发的自干扰问题假设不能得到解决将会严重影响认知无线电网络工作。以上的特点学术界和工业
31、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。 早在2004年加州大学伯克立分校的 Brodersen 教授指导的研究组就提出了认知无线电方式使用虚拟非授权频谱的CORVUS体系构造。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(比方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播送那么对等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
32、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效劳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展的通信采用分布式控制即可。IEEE 802.22的无线区域网(WRAN)使用未使用的电视播送信道在对电视信道不产生干扰的前提下为农村地区、遥远地区和低人口度且通信效劳质量差的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构造。在下行方向上WRAN采用固定的点对多点星型构造其信息传播方式为播送方式；在上行
33、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)以传输需求为根底根据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之间系统可通过转发器进展转发。在任何情况下BS提供集中式的控制包括功率理、频率理和调度控制。 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。假设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
34、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构造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构造可以保证正确可靠的数据交换如何保证所设计的协议体系构造在实现时可以保证与协议的一致性以及如何实现与其他协议之间的数据交换这都是认知无线电协议体系构造设计中必须考虑的问题。 由于认知无线电技术具有动态、灵敏、智能的特点因此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、网络拓扑构造的改变。因此在设计认知无线电网络协议时将遵循以下原那么：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
35、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构造在对认知无线电网络进展设计时将主要考虑物理层、媒体接入控制(MAC)层以及网络层。在详细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根底上参加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构造设计的成果进展系统性地考虑。由于认知无线电网络协议的设计与采用的网络构造亲相关而算法又与所采用的网络构造亲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构造设计的成果不断 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
36、能考虑相容性共存问题。由于目前的通信格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根底进展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。CORVUS的协议构造通用的OSI/ISO协议栈构造如图3-1所示。从这个协议栈构造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
37、。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：组理模块链路理模块和介质接入控制模块。 组理模块：CORVUS体系构造假定系统由主用户(PU)和具有认知才能的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控制信道用来进展组的理。新参加网络的SU参加已存在的某个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 链路层公用控制信道MAC链路理组理组控制信道 物理层数据传输信道估计频谱感知 MAC：媒体接入控制 图3-1
38、 CORVUS的协议构造 链路理模块：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局部。在多分组多用户系统中MAC要可以提供多个SU并发接入一个链接的才能甚至要可以理多个SU的多个链接并发使用同一子信道。国防部高级研究方案署(DARPA)资助的XG工程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协议只需适当晋级即可例如传统收发机应用程序接口(API)
39、可参加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局部示意的系统协议构造将具有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局部却分布在物理层。比方感知它的搜集和对接收信强度的平 均化处理就被设计在物理层进展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局部特定帧是具有XG特性的并对其进展相应处理。X
40、G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：时机识别、时机分配、时机使用3个模块：时机识别模块：可用的传输时机集并加上相应的约束条件。时机集是动态的随时间变化。可用的传输时机为XG全部节点的一个子集效劳特别是在目的节点附近一定范围内的节点。时机识别是一个分布式工作可能包括感知频谱时机鉴别可用时机并赋予约束条件(比方时间窗口功率和发射参数)向目的地区分发
41、信息等内容。时机分配模块：以分布式方式将时机识别模块确定的可用传输 时机分配给XG节点。它使用时机信息和约束条件创立一个动态分配表。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任意介质接入控制方式载波监听媒体接入/冲突防止(CA/CA)、 频分多址(FDMA)、TDMA、CDMA或者几者结合。时机使用模块：指的是在给定的传输时机上进展通信的物理层机制它也要负责记录时机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。存在很多可能的时机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
42、块间构造了一个时机API它是个XG的API作用是明晰分开传输时机和使用时机2种功能。这个API的使用便于对2个模块进展细化在同一个系统框架下分别地采用不同执行。 传输层 传输层 传输层 网络层 网络层 网络层XG过程XG优化 MAC 层继承MAC层MAC层XG增强XG增强继承XG 优化物理层XG控制 物理层物理层收发机API收发机API收发机APIMAC：媒体接入控制API：应用程序接口 图3-2: XG协议栈构造WRAN的IEEE 802.22 包括物理层和MAC的协议与IEEE 802.16 系列中的构造、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
43、过本地频谱感知技术以及分布式检测等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(ATSC、DVB- T、DMB- T等制式) 占用使认知用户可以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进展感知可能的算法包括；匹配滤波、能量检测以及周特性检测等。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。为了抑制这一系列问题有必要结合位于不同位置的多节点进展分布式地结合检测。可能的合并算法包括：“与、“或和“K秩等。MAC协议方面主要参照
44、应用于固定宽带无线接入的IEEE 802.16 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层的功能中参加了信道理和测量功能以更加灵敏有效地实现频谱理。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敏的QoS效劳。协议支持单播多播和播送效劳并采用结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展有效的理与控制。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
45、宽获取、投票选举和竞争3个过程来实现。IEEE 802.22 协议中提出的参考构造模型如图3-3即由一个频谱理模块和多个MAC/物理层模块构成 而CPE仅由一个MAC/ 物理层模块构成。其中频谱理模块使得系统可以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的频段并将可用的空闲信道根据一定(如每个模块连接的终端数通信要求传输间隔 等)分配给各个MAC/物理层模块。此外频谱理模块还应可以处理不同模块的恳求如因信道质量发生变化导致切换信道因此需获得可用信道信息的恳求。 高层 会聚层 MAC层 频谱 理 MAC层 MAC层. . 物理层 物理层. . 物理层 MAC：
46、媒体接入控制 图3-3 : IEEE 802.22的协议参考模型3.4 CRN网络动态接入 为到达在不干扰授权用户的条件下有效地实现时机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效劳还要求能支持一套全新的功能。主要有：频谱检测理通过对检测形式的选取、检测周及检测时长的 设置、检测信道的选取和检测静默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防止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展不确定 频谱资源的优化分配。平安机制通过增加mac帧的认证和以防御mac层的平安攻击。跨层设计结合物理层和网络层、传输层等上层