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1、河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY毕业设计说明书论文题目：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
2、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 AbstractCognitive radio networks have the abilities of utilizing spectrum dynamically， agilely and intelligently， and improving the efficiency of
3、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 w
4、ireless 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 o
5、f 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 se
6、nsing 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IABSTRACTII第1章 绪论11.1 认知无线
7、电的产生背景和特征11.1.1 CR技术的产生21.1.2 CR 特征21.1.3 认知无线电与软件无线电之间的关系31.1.4 CR当前的发展与标准31.2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52.2.1 认知阶段62.2.2 学习阶段62.2.3 决策和调整阶段6第 3 章 认知无线网络的体系结构83.1 目前提出的具有代表性的认知无线网络(CRN)体系结构83.2网络架构83.2.1 CORVUS系统93.2.2 无线区域网93.2.3 支持多信道多接口的无线Mesh网络93.3 协议体系103.3.1 CORVUS的
8、协议体系103.3.2 XG项目的协议体系113.3.3 WRAN的协议体系133.4 CRN网络动态接入153.4.1 CRN中PHY层中的关键技术163.4.2 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184.1引言184.2认知无线网络的频谱感知184.2.1频谱感知的功能和特点184.2.2常用频谱感知方法194.3认知无线网络的频谱分配204.3.1基于网络结构的频谱分配204.3.2基于合作方式的频谱分配214.3.3基于接入方式的分类214.4 短距离无线网络的特点和实例224.4.1短距离无线网络的特点224.4.2典型的短距离通信网络224.5小型认
9、知无线网络的特点和研究重点224.5.1小型认知无线网络的特点234.5.2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245.1 认知无线网络的环境感知方法245.1.1 基于单节点的频谱检测方法245.1.2 协同感知方法245.2 认知无线网络的通信协议设计255.2.1 协议层次架构255.2.2 控制节点的工作时序255.2.3 认知节点的工作时序265.3 其他典型通信协议架构形式27结 论29参考文献30谢 辞31 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
10、 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。
11、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图1-1 认知无线电系统 频谱空穴信息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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、.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
18、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。 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
19、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”
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
26、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
27、，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。
28、 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
29、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。 4Self-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 Comp
30、uting）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，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
31、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，
32、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
33、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
34、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
35、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
36、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，系统可通过转发器进行转发。在任何情况下，BS提供集中式的控制，
37、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
38、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
39、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
40、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
41、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 链路层公用控制信道MAC链路管理组管理组控制信道 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 CORVUS的协议结构 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
42、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
43、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
44、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X
45、G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
46、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协议栈结构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