歡迎閱讀本文檔，希望本文檔能對(duì)您有所幫助！歡迎閱讀本文檔，希望本文檔能對(duì)您有所幫助！感謝閱讀本文檔，希望本文檔能對(duì)您有所幫助！感謝閱讀本文檔，希望本文檔能對(duì)您有所幫助！歡迎閱讀本文檔，希望本文檔能對(duì)您有所幫助！感謝閱讀本文檔，希望本文檔能對(duì)您有所幫助！河北結(jié)合大學(xué)輕工學(xué)院QINGGONGCOLLEGE,HEBEIUNITEDUNIVERSITY說(shuō)明書(shū)MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTap\r1\h文題目：小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定與設(shè)計(jì)2021年05月30日摘要認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)、靈敏、智能地使用頻譜資源進(jìn)步頻譜利用率的特點(diǎn)其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和協(xié)議體系的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵?，F(xiàn)有認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有的CORVUS系統(tǒng)IEEE802.22的無(wú)線(xiàn)域網(wǎng)(WRAN)和支持多信道多接口的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議體系有CORVUS協(xié)議體系軍用的XG系統(tǒng)協(xié)議及WRAN協(xié)議等。提出了一種小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜協(xié)同感知并在此根底上設(shè)計(jì)了一種小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。通過(guò)協(xié)議程序復(fù)雜度的角度切入對(duì)該協(xié)議進(jìn)展了分析。同其他典型協(xié)議相比較該協(xié)議通過(guò)采用集中式控制、分布式感知、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的機(jī)制盡可能地做到了揚(yáng)長(zhǎng)避短使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和復(fù)雜度得到了兼顧。關(guān)鍵詞認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；協(xié)同感知；通信協(xié)議；程序復(fù)雜度AbstractCognitiveradionetworkshavetheabilitiesofutilizingspectrumdynamicallyagilelyandintelligentlyandimprovingtheefficiencyofspectrumusage.Consequentlyboththeprotocolandaritecturaldesignsforcognitiveradionetworksisverycrucial.ThenetworkaritecturesinexistingsystemsincludedcontentsareCORVUSsystemintroducedinAmericaWirelessRegionalAreaNetwork(WRAN)basedonIEEE802.22aswellasthewirelessMeshnetworksportingmulti-annelandmulti-interface；relatednetworkprotocolsareofCORVUSsystemtheXGsystemformilitaryapplicationsandWRAN.Acooperativespectrumsensingmethodofall-scalecognitivewirelessnetworkisproposed.Onthisbasisamunicationprotocolofall-scalecognitivewirelessnetworkisdesigned.Startingfromtheprogramplexitythispaperanalyzesandevaluatesthemunicationprotocol.paredwithothertypicalprotocolstheperformanceofthisprotocolisimprovedbyusingthemeaniofcentralizedcontroldistributedsensingandpointtopointmunication.Thestabilityandplexityofthesystemaretakenintoaccount.Keys：cognitiveradio；networkaritecture；networkprotocol；cognitivewirelessnetwork；collaborativeawareness；municationprotocol；programplexity目錄摘要 IAbstract II章緒 11.1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的產(chǎn)生背景和特征 1 2 2 3 31.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的研究背景 4第2章認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)介 52.1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的概念 52.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 5 6 6 6第3章認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的體系構(gòu)造 83.1目前提出的具有代表性的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(CRN)體系構(gòu)造 83.2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 8 9 9 93.3協(xié)議體系 10 10 11 133.4CRN網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)接入 15 16 17第4章小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 184.1引言 184.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知 18 18 194.3認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配 20 20 21 214.4短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和實(shí)例 22 22 224.5小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和研究重點(diǎn) 22 23 23第5章小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)定 245.1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境感知 24 24 245.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議設(shè)計(jì) 25 25 25 265.3其他典型通信協(xié)議架構(gòu)形式 27結(jié) 29參考文獻(xiàn) 30謝辭 31章緒無(wú)線(xiàn)頻譜資源的緊缺是限制無(wú)線(xiàn)挪動(dòng)通信與效勞應(yīng)用持續(xù)開(kāi)展的瓶頸作為一種智能的性頻譜共享技術(shù)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電CognitiveRadioCR〕被稱(chēng)為將來(lái)最熱門(mén)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。它通過(guò)對(duì)授權(quán)頻譜進(jìn)展“二次利用〞為緩解頻譜資源缺乏與日益增長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)需求之間的矛盾開(kāi)拓了一條新的途徑對(duì)有效解決有限的無(wú)線(xiàn)資源條件下進(jìn)步頻譜資源利用率這一通信難題有著優(yōu)越的和不可替代的意義。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)就是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的網(wǎng)絡(luò)化其本質(zhì)在于將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)境感知、智能接入等應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以利用環(huán)境認(rèn)知來(lái)獲取環(huán)境信息通過(guò)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)展處理和學(xué)習(xí)做出智能決策并以此進(jìn)展網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)。1.1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的產(chǎn)生背景和特征認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電CognitiveRadioCR〕也被稱(chēng)為智能無(wú)線(xiàn)電。從廣義上來(lái)說(shuō)是指無(wú)線(xiàn)終端具備足夠的智能或者認(rèn)知才能通過(guò)對(duì)周?chē)鸁o(wú)線(xiàn)環(huán)境的歷史和當(dāng)前狀況進(jìn)展檢測(cè)、分析、學(xué)習(xí)、推理和規(guī)劃利用相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸參數(shù)使用最適宜的無(wú)線(xiàn)資源包括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等〕完成無(wú)線(xiàn)傳輸。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電可以幫助用戶(hù)自動(dòng)選擇的、最廉價(jià)的效勞進(jìn)展無(wú)線(xiàn)傳輸甚至可以根據(jù)現(xiàn)有的或者即將獲得的無(wú)線(xiàn)資源延遲或主動(dòng)發(fā)起傳送。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)如圖1-1所示：無(wú)線(xiàn)環(huán)境無(wú)線(xiàn)環(huán)境頻譜決策頻譜決策頻譜感知頻譜感知頻譜分析頻譜分析圖1-1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)圖1-1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)頻譜空穴信息通信手段的不斷進(jìn)步,正是人類(lèi)社會(huì)不斷進(jìn)步的標(biāo)志。從數(shù)千年前烽火臺(tái)的出現(xiàn),到如今3G網(wǎng)絡(luò)的普及,可以說(shuō),每一次通信手段的進(jìn)步,都是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的里程碑。上世紀(jì)90年代,隨著無(wú)線(xiàn)通信被越來(lái)越多的應(yīng)用在、科研、社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域,頻譜資源的使用和分配逐漸受到了國(guó)際組織和各國(guó)的重視。其有限性和不可再生性也得到了廣泛的認(rèn)可。在這個(gè)背景下,如何盡可能的有效利用有限的頻譜資源,成為了一個(gè)備受關(guān)注的話(huà)題。另一方面,隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字通信技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的開(kāi)展。這個(gè)時(shí)正是G網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)普及的時(shí),數(shù)字無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)需求連續(xù)數(shù)年大幅度增長(zhǎng),且已不限于語(yǔ)音通話(huà)業(yè)務(wù)。3G網(wǎng)絡(luò)、UWB等技術(shù)的出現(xiàn),正是為應(yīng)對(duì)這種宏大的需求所產(chǎn)生的。在頻譜資源日益緊張和數(shù)字通信技術(shù)日益興隆的大背景下,認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的產(chǎn)生,是歷史開(kāi)展的必然選擇。自1999年“軟件無(wú)線(xiàn)電之父〞JosephMitolaⅢ博士首次提出了CR的概念并系統(tǒng)地闡述了CR的根本原理以來(lái)不同的機(jī)構(gòu)和學(xué)者從不同的角度給出了CR的定義其中比較有代表性的包括FCCFederalmunicationsmission〕和著名學(xué)者SimonHaykin教授的定義。FCC認(rèn)為：“CR是可以對(duì)其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線(xiàn)電〞。SimonHaykin那么從信處理的角度出發(fā)認(rèn)為：“CR是一個(gè)智能無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。它可以感知外界環(huán)境并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)(比方傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)使其狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線(xiàn)信的統(tǒng)計(jì)性變化以到達(dá)以下目的：任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信；對(duì)頻譜資源的有效利用。CR應(yīng)該具備以下2個(gè)主要特征：(1)認(rèn)知才能認(rèn)知才能使CR可以從其工作的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中捕獲或者感知信息從而可以標(biāo)識(shí)特定時(shí)間和空間的未使用頻譜資源(也稱(chēng)為頻譜空洞)并選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。這一任務(wù)通常采用圖1-1所示的認(rèn)知環(huán)進(jìn)展表示包括3個(gè)主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測(cè)可用頻段檢測(cè)頻譜空洞；頻譜分析估計(jì)頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性；頻譜判決根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶(hù)需求選擇適宜的頻段傳輸數(shù)據(jù)。重構(gòu)才能重構(gòu)才能使得CR設(shè)備可以根據(jù)無(wú)線(xiàn)環(huán)境動(dòng)態(tài)編程從而允許CR設(shè)備采用不同的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。可以重構(gòu)的參數(shù)包括：工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。重構(gòu)的核心思想是在不對(duì)頻譜授權(quán)用戶(hù)(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信效勞。一旦該頻段被LU使用CR有2種應(yīng)對(duì)方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續(xù)使用該頻段但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案防止對(duì)LU的有害干擾。為了便于理解CR的根本原理有必要將CR與軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)進(jìn)展區(qū)分。根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的定義一個(gè)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備可以稱(chēng)為SDR的根本前提是：局部或者全部基帶或RF信處理通過(guò)使用數(shù)字信處理軟件完成；這些軟件可以在出廠后修改。因此SDR關(guān)注的是無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)信處理的實(shí)現(xiàn)方式；而CR是指無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)可以感知操作環(huán)境的變化并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)。從這個(gè)意義上講CR是更高層的概念不僅包括信處理還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)那么和目的進(jìn)展推理和規(guī)劃的高層功能。一般來(lái)說(shuō)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)必須具備以下根本功能：一般來(lái)說(shuō)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)必須具備以下根本功能：(1)對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的場(chǎng)景分析包括空間電磁環(huán)境中干擾溫度的估計(jì)和頻譜空穴的檢測(cè)。信道狀態(tài)估計(jì)及其容量主要有信道狀態(tài)信息的估計(jì)、信道容量的。功率控制和動(dòng)態(tài)頻譜理。當(dāng)前認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)已經(jīng)得到了各界的關(guān)注很多著名學(xué)者和機(jī)構(gòu)都投入到認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電相關(guān)技術(shù)的研究中啟動(dòng)了很多針對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的重要研究工程。例如德國(guó)高校提出的頻譜池系統(tǒng)、加州大學(xué)Berkeley分校研究組開(kāi)發(fā)的COVUS系統(tǒng)、Georgia理工學(xué)院寬帶和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室提出的OCRA工程美方DARPA的XG工程、歐盟的E2R工程等。在這些工程的推動(dòng)下在根本理、頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議等領(lǐng)域獲得了一些成果。IEEE為此專(zhuān)門(mén)組織了兩個(gè)重要的國(guó)際年會(huì)交流這方面的成果。目前最引人關(guān)注的是IEEE802.22工作組的工作該工作組正在制訂利用空閑電視頻段進(jìn)展寬帶無(wú)線(xiàn)接入的技術(shù)這是第一個(gè)引入認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電概念的IEEE技術(shù)化活動(dòng)。2004年10月IEEE正式成立IEEE802.22工作組IEEE802.22別名稱(chēng)為“WirelessRegionalAreaNetwork(WRAN無(wú)線(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò))〞。該工作組的目的就是使用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)將分配給電視播送的VHF/UHF頻帶(北美為54MHz～862MHz)的頻率用作寬帶訪(fǎng)問(wèn)線(xiàn)路。這是繼2002年實(shí)現(xiàn)民用的“UWB〞之后又一全新的無(wú)線(xiàn)頻率應(yīng)用技術(shù)。IEEE802.22將要制定的是無(wú)線(xiàn)通信的物理層與MAC層規(guī)格。所設(shè)想的數(shù)據(jù)通信頻率為數(shù)Mbit/秒～數(shù)十Mbit/秒。電視轉(zhuǎn)播所用的頻率由于是比過(guò)去的無(wú)線(xiàn)LAN更低的頻帶因此基站設(shè)備可覆蓋的范圍很大半徑超過(guò)40km。假設(shè)此目的得以實(shí)現(xiàn)總計(jì)300MHz～400MHz的頻帶將可用于室外寬帶通信。1.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的研究背景所謂認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),就是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的網(wǎng)絡(luò)化。其本質(zhì)在于將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)——環(huán)境感知、智能接入等——應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以利用環(huán)境認(rèn)知來(lái)獲取環(huán)境信息通過(guò)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)展處理和學(xué)習(xí)做出智能決策并以此進(jìn)展網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)。國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的研究思路經(jīng)歷了一個(gè)開(kāi)展變化的過(guò)程即：由單純的“無(wú)線(xiàn)電〞視角向“網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)〞的框架轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)的“無(wú)線(xiàn)電〞視角之下認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)所要求的有意識(shí)的、可調(diào)整的、自動(dòng)化和自適應(yīng)的特征需要由“全能型〞的無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機(jī)(支持所有形式所有頻段)來(lái)偵測(cè)、發(fā)現(xiàn)并協(xié)商適宜的工作頻率、波形及協(xié)議。然而隨著研究工作的開(kāi)展與深化這一傳統(tǒng)“無(wú)線(xiàn)電〞視角逐漸暴露了限性：所謂“全能型〞收發(fā)信機(jī)的實(shí)現(xiàn)本錢(qián)、復(fù)雜度、功耗等因素使其在現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)。僅僅關(guān)注了無(wú)線(xiàn)鏈路底層而無(wú)視了不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的交互及協(xié)作。無(wú)法反映用戶(hù)業(yè)務(wù)與應(yīng)用對(duì)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的影響與需求。所以認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的研究視角逐漸從無(wú)線(xiàn)鏈路的底層功能擴(kuò)展到了更高層次的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(CRN)已逐漸成為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電將來(lái)研究和產(chǎn)業(yè)化方向的共識(shí)。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的框架內(nèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)其與周邊多維環(huán)境(網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、應(yīng)用等)交互信息的情況調(diào)整其網(wǎng)絡(luò)特性實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能。目前歐美等興隆和地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)展認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)級(jí)行為的研究和協(xié)議的制定。但是國(guó)內(nèi)的研究仍然主要處于頻譜感知、頻譜決策等分支學(xué)科研究階段。第2章認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)介2.1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的概念隨著認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的開(kāi)展和深化研究Motorola及VirginiaTe等提出了無(wú)線(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)CognitiveRadioNetworkCRN〕的概念他們認(rèn)為無(wú)線(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知才能的網(wǎng)絡(luò)可以感知網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況并根據(jù)當(dāng)前的狀況來(lái)方案、并行動(dòng)也就是說(shuō)可以自我配置來(lái)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)自適應(yīng)操作和環(huán)境的改變。自我配置的主要功能組成是自我意識(shí)和自動(dòng)學(xué)習(xí)通過(guò)具有網(wǎng)絡(luò)意識(shí)的中間件和網(wǎng)絡(luò)各組成局部分布式穿插來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)線(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能化操作者的才能。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)成智能的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)的核心。2.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)它能分辨當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)然后根據(jù)這些狀態(tài)進(jìn)展規(guī)劃、決策和響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)能在這些自適應(yīng)過(guò)程中學(xué)習(xí)并可以將學(xué)到的知識(shí)用于以后的決策。最終目的都是為了實(shí)現(xiàn)端到端的性能。這個(gè)定義在認(rèn)知方面與認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的表述相似兩者都廣泛地包含了許多認(rèn)知和學(xué)習(xí)的簡(jiǎn)易模型。這個(gè)定義的關(guān)鍵是在于網(wǎng)絡(luò)層面和端到端的局部。假設(shè)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)和端到端的視角這個(gè)系統(tǒng)也許將成為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電或者只是網(wǎng)絡(luò)中的一層而不是一個(gè)完好的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。這里的端到端指的是網(wǎng)絡(luò)所有元素都參與了同一個(gè)數(shù)據(jù)流的傳播。而端到端的目的使得認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)全網(wǎng)范圍內(nèi)的要求這點(diǎn)使其與只在本地或者單元素范圍內(nèi)自適應(yīng)的區(qū)別開(kāi)來(lái)。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該將對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的觀察或者代理觀察〕作為決策處理過(guò)程的輸入然后將可作用于網(wǎng)絡(luò)中可調(diào)元素的一系列行為作為輸出。理想的情況是一個(gè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有前瞻性而不僅僅是反響式的處理它應(yīng)該在問(wèn)題出現(xiàn)之前就嘗試校正修整。此外認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)應(yīng)該具有擴(kuò)展性和靈敏性以支持將來(lái)改善的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和新增的網(wǎng)絡(luò)元素從而實(shí)現(xiàn)更高層次的通信目的。認(rèn)知集中在對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境域、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境域和用戶(hù)域的多域認(rèn)知上完成對(duì)海量認(rèn)知信息的獲取為以后的學(xué)習(xí)、決策、調(diào)整階段提供信息輸入。學(xué)習(xí)階段主要是通過(guò)反響環(huán)路分析行動(dòng)對(duì)外界環(huán)境變化進(jìn)展響應(yīng)逐步修正到達(dá)最優(yōu)的行動(dòng)策略目的。決策和調(diào)整階段是針對(duì)認(rèn)知信息和經(jīng)歷學(xué)習(xí)選擇最優(yōu)的行動(dòng)決策并通過(guò)重配置方式進(jìn)展相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整。這個(gè)階段涉及無(wú)線(xiàn)頻譜資源的分配和理、對(duì)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的結(jié)合理望得到資源的利用效率從而獲得系統(tǒng)性能的提升。為了實(shí)現(xiàn)這一目的跨層設(shè)計(jì)可以通過(guò)增加層間交互的方式對(duì)相應(yīng)的協(xié)議層做出最優(yōu)決策和調(diào)整Self-x利用其自配置、自理、自?xún)?yōu)化的特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。為了適應(yīng)時(shí)變的無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境及時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)需要借助認(rèn)知技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)資源的有效利用和網(wǎng)絡(luò)性能的整體提升。由于將來(lái)必定是多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)面用戶(hù)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況來(lái)自主選擇要接入的性能最正確的網(wǎng)絡(luò)從而為用戶(hù)提供的端到端QoSQualityofService〕保證認(rèn)知為這一目的的實(shí)現(xiàn)提供了重要的手段。為了進(jìn)步認(rèn)知的效率和完備性充分認(rèn)知環(huán)境的變化認(rèn)知域需要由傳統(tǒng)的單一無(wú)線(xiàn)環(huán)境擴(kuò)展為包括無(wú)線(xiàn)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶(hù)環(huán)境在內(nèi)的多域認(rèn)知環(huán)境。傳統(tǒng)的靜態(tài)、局部的頻譜分配策略已經(jīng)不能解決日漸突顯的頻譜匱乏問(wèn)題如何有效地整合空閑的頻譜資源并動(dòng)態(tài)地進(jìn)展分配變得尤為重要。因此目前認(rèn)知的研究也主要集中在對(duì)“頻譜空穴〞的感知上檢測(cè)空白頻譜并重新分配進(jìn)步資源的利用效率。主要相關(guān)的技術(shù)有：信檢測(cè)技術(shù)、感知導(dǎo)頻信道CPCCognitivePilotannel〕技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。學(xué)習(xí)階段是當(dāng)外界環(huán)境參量發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)感知此變化并做出相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)通過(guò)動(dòng)作響應(yīng)的結(jié)果判斷對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)展學(xué)習(xí)并將學(xué)習(xí)結(jié)果輸入策略庫(kù)以便下次發(fā)生一樣的變化時(shí)采取經(jīng)歷條件下最優(yōu)的行動(dòng)策略。簡(jiǎn)而言之望通過(guò)經(jīng)歷學(xué)習(xí)來(lái)獲得系統(tǒng)性能的提升。當(dāng)用戶(hù)感知到對(duì)外界環(huán)境的某些參數(shù)后做出決策并作用于外界環(huán)境外界環(huán)境給認(rèn)知用戶(hù)一個(gè)反響學(xué)習(xí)階段就是逐步分析這些反響以到達(dá)最正確策略繼而完成學(xué)習(xí)的過(guò)程。相關(guān)的學(xué)習(xí)主要有：監(jiān)視學(xué)習(xí)、非監(jiān)視學(xué)習(xí)和半監(jiān)視學(xué)習(xí)。1．頻譜理由于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)對(duì)帶寬的需求、可用信道的數(shù)量和位置都是實(shí)時(shí)變化的。頻譜分配技術(shù)將一些不規(guī)律和不連續(xù)的頻譜資源進(jìn)展整合按照一定的公平原那么將頻譜資源分配給不同的用戶(hù)實(shí)現(xiàn)資源的合理分配和利用。自適應(yīng)頻譜資源分配的關(guān)鍵技術(shù)主要有：載波分配技術(shù)、子載波功率控制技術(shù)、復(fù)合自適應(yīng)傳輸技術(shù)。為了協(xié)調(diào)授權(quán)用戶(hù)和非授權(quán)用戶(hù)間的關(guān)系進(jìn)步頻譜理的效率新的頻譜理思想和理規(guī)那么亟待提出以適應(yīng)用戶(hù)的需求和技術(shù)的開(kāi)展。2．結(jié)合無(wú)線(xiàn)資源理各種異構(gòu)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)RATRadioAccessTenology〕共存將會(huì)是將來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一大特點(diǎn)。詳細(xì)來(lái)說(shuō)各種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)重疊覆蓋各自面向不同的效勞要求技術(shù)特性之間存在互補(bǔ)性。這些特點(diǎn)使得異構(gòu)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)之間的資源共享成為可能由此進(jìn)步系統(tǒng)性能和資源利用率帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗(yàn)。結(jié)合無(wú)線(xiàn)資源理JRRMJointRadioResourceManagement〕用于多個(gè)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)之間的無(wú)線(xiàn)資源分配它通過(guò)結(jié)合會(huì)話(huà)接納控制、結(jié)合會(huì)話(huà)調(diào)度、結(jié)合負(fù)載控制和切換等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能和頻譜效率。3．跨層設(shè)計(jì)所謂跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)各層間共享與其他層相關(guān)的信息利用各層之間的相關(guān)性將各層協(xié)議集成到一個(gè)綜合的分級(jí)框架中對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展整體設(shè)計(jì)的一種思想。這種設(shè)計(jì)模糊了嚴(yán)格的層間界限打破傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)分層框架將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)交融使得協(xié)議?？梢砸匀姆绞竭m應(yīng)特定應(yīng)用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化根據(jù)系統(tǒng)的約束條件和網(wǎng)絡(luò)特征來(lái)進(jìn)展綜合優(yōu)化的方式?？鐚拥脑O(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的有效分配到達(dá)了進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)的綜合性能為用戶(hù)提供更好效勞的目的。4．Self-x技術(shù)下一代網(wǎng)絡(luò)交融了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)這極大地增加了網(wǎng)絡(luò)理的復(fù)雜性針對(duì)此問(wèn)題研究人員提出了自主計(jì)算ACAutonomicputing〕的異構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自主理架構(gòu)。自主計(jì)算的概念最早由IBM在2001年提出。所謂自主計(jì)算即通過(guò)設(shè)計(jì)、構(gòu)建一個(gè)可以自理的計(jì)算系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我理以便將理人員從復(fù)雜理任務(wù)中解脫出來(lái)降低系統(tǒng)的復(fù)雜性減少理本錢(qián)。它的本質(zhì)是由系統(tǒng)主動(dòng)監(jiān)視自身的運(yùn)行狀態(tài)并按照理策略針對(duì)不同的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)整系統(tǒng)操作。自主計(jì)算的核心思想是實(shí)現(xiàn)自主理Self-management〕功能主要表現(xiàn)為：自配置Self-configuring〕、自恢復(fù)Self-healing〕、自?xún)?yōu)化Self-optimizing〕、自保護(hù)Self-protecting〕。以上自主理的功能也被稱(chēng)為Self-x。第3章認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的體系構(gòu)造3.1目前提出的具有代表性的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(CRN)體系構(gòu)造認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電是一個(gè)智能無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)它可以感知外界環(huán)境并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)使其狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線(xiàn)信的統(tǒng)計(jì)性變化。CR技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)、靈敏、智能地使用頻譜資源進(jìn)步頻譜利用率的特點(diǎn)其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和協(xié)議體系的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵。現(xiàn)有認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有的CORVUS系統(tǒng)IEEE802.22的無(wú)線(xiàn)區(qū)域網(wǎng)(WRAN)和支持多信道多接口的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議體系有CORVUS協(xié)議體系軍用的XG系統(tǒng)協(xié)議及WRAN協(xié)議等。3.2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)由于其獨(dú)特的頻譜復(fù)用性和宏大的覆蓋范圍呈現(xiàn)出一些不同于以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：1.在多系統(tǒng)共存條件下分配無(wú)線(xiàn)資源。用戶(hù)間的鏈接需要進(jìn)展有效的控制和理同時(shí)滿(mǎn)足延遲和帶寬要?jiǎng)?wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度。在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：與交疊的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電小區(qū)的共存、業(yè)務(wù)流對(duì)應(yīng)的調(diào)度業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)流的效勞質(zhì)量(QoS)參數(shù)值、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退峙涞膸捜萘俊?.系統(tǒng)應(yīng)該具有多信道支持才能。中心控制器在需要情況下應(yīng)該可以將多個(gè)鄰近頻道進(jìn)展聚合處理以改善系統(tǒng)性能支持更多的用戶(hù)使用并占據(jù)更廣的覆蓋面。它可以在一些控制幀中用戶(hù)終端哪些信道可以聚合成組以供使用而用戶(hù)那么可以相應(yīng)地采用多信道形式工作。中心控制器要具有可以處理跨越多個(gè)子信道的上下行傳輸才能并且隨著信道數(shù)量變化及時(shí)調(diào)整調(diào)度工作。信道分組使用同時(shí)也進(jìn)步了帶寬利用率。主用戶(hù)檢測(cè)程序和分布式感知才能為多信道操作的可行性提供了保證。3.系統(tǒng)面臨共存問(wèn)題。共存問(wèn)題包括兩個(gè)層次：一是對(duì)主用戶(hù)系統(tǒng)的干擾問(wèn)題；二是對(duì)于重疊區(qū)、局部重疊區(qū)內(nèi)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的共存問(wèn)題。為防止對(duì)主用戶(hù)的干擾分布式頻譜感知、測(cè)量、檢測(cè)算法以及頻譜理等認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)所特有的功能都必須加以考慮?，F(xiàn)實(shí)中作為覆蓋范圍宏大的多個(gè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電小區(qū)之間很有可能會(huì)發(fā)生局部重疊最壞情況下甚至完全重疊。由此引發(fā)的自干擾問(wèn)題假設(shè)不能得到解決將會(huì)嚴(yán)重影響認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)工作。以上的特點(diǎn)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)提出了一些適用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)其中具有代表性的有如下3個(gè)。早在2004年加州大學(xué)伯克立分校的Brodersen教授指導(dǎo)的研究組就提出了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電方式使用虛擬非授權(quán)頻譜的CORVUS體系構(gòu)造。在CORVUS系統(tǒng)中由多個(gè)次用戶(hù)(SU)組成次用戶(hù)組(SUG)。同一個(gè)SUG中的節(jié)點(diǎn)可以彼此間以Adhoc方式通信或者通過(guò)專(zhuān)用接入節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)骨干網(wǎng)絡(luò)(比方Internet)。不同SUG中的SU是不能直接通信的。假設(shè)在對(duì)等SU或者SU與接入點(diǎn)(AP)間只存在單播通信不支持播送那么對(duì)等SU或SU與AP的通信允許分布式或集中式的組織方式。CORVUS系統(tǒng)將SU面對(duì)的業(yè)務(wù)流形式主要?jiǎng)澐譃?種類(lèi)型：Web式和Adhoc網(wǎng)絡(luò)式。對(duì)應(yīng)于Web式SU主要工作類(lèi)似Internet接入需要一個(gè)類(lèi)似基站或者訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)的存在來(lái)提供接入效勞因此會(huì)采用集中式控制。而Adhoc網(wǎng)絡(luò)式主要工作是節(jié)點(diǎn)彼此間進(jìn)展的通信采用分布式控制即可。IEEE802.22的無(wú)線(xiàn)區(qū)域網(wǎng)(WRAN)使用未使用的電視播送信道在對(duì)電視信道不產(chǎn)生干擾的前提下為農(nóng)村地區(qū)、遙遠(yuǎn)地區(qū)和低人口度且通信效勞質(zhì)量差的提供類(lèi)似于在城區(qū)或郊區(qū)使用的寬帶接入技術(shù)的通信性能。在WRAN的系統(tǒng)中基站和用戶(hù)預(yù)定設(shè)備是主要實(shí)體轉(zhuǎn)發(fā)器是可選的實(shí)體采用集中式的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。在下行方向上WRAN采用固定的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)星型構(gòu)造其信息傳播方式為播送方式；在上行方向上WRAN向用戶(hù)提供有效的多址接入采取按需多址(DAMA)和時(shí)分多址(TDMA)即各用戶(hù)場(chǎng)地設(shè)備(CPE)以傳輸需求為根底根據(jù)DAMA和TDMA機(jī)制共享上行信道。用戶(hù)通過(guò)與基站(BS)的空中接口接入核心網(wǎng)絡(luò)一個(gè)CPE可支持多個(gè)傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻的用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)的接入通過(guò)BS可接入到多個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)。在CPE與BS之間系統(tǒng)可通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)展轉(zhuǎn)發(fā)。在任何情況下BS提供集中式的控制包括功率理、頻率理和調(diào)度控制。支持多信道多接口的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)按Adhoc方式或者混合網(wǎng)絡(luò)方式布置。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)電接口(如網(wǎng)卡)可同時(shí)接入一個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道節(jié)點(diǎn)具有感知無(wú)線(xiàn)環(huán)境的功能可以判斷信道的使用情況選擇相應(yīng)的信道接入。正是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的這一特點(diǎn)使得這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造設(shè)計(jì)和布置與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有很大不同。3.3協(xié)議體系如何保證所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系構(gòu)造可以保證正確可靠的數(shù)據(jù)交換如何保證所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系構(gòu)造在實(shí)現(xiàn)時(shí)可以保證與協(xié)議的一致性以及如何實(shí)現(xiàn)與其他協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換這都是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電協(xié)議體系構(gòu)造設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。由于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、靈敏、智能的特點(diǎn)因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求也比較高要求協(xié)議具有異步、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)必須能自適應(yīng)于因終端變動(dòng)、無(wú)線(xiàn)環(huán)境變動(dòng)而帶來(lái)的可用頻譜資源的動(dòng)態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造的改變。因此在設(shè)計(jì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)將遵循以下原那么：協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)充分反映認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的特征。常用通信協(xié)議體系結(jié)協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)充分反映認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的特征構(gòu)都采用分層構(gòu)造在對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展設(shè)計(jì)時(shí)將主要考慮物理層、媒體接入控制(MAC)層以及網(wǎng)絡(luò)層。在詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中將借鑒已有物理層、MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議層次在此根底上參加具有認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電特性的功能模塊。協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合算法與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造設(shè)計(jì)的成果進(jìn)展系統(tǒng)性地考慮。由于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與采用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造親相關(guān)而算法又與所采用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造親相關(guān)三者之間相輔相成互相影響。因此在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)建立一個(gè)初步的框架然后結(jié)合算法設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造設(shè)計(jì)的成果不斷修訂最終完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)。協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮相容性即考慮與其他系統(tǒng)之間的協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮相容性共存問(wèn)題。由于目前的通信格是多系統(tǒng)共存因此在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮與其它系統(tǒng)之間的共存問(wèn)題?，F(xiàn)有認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的一些協(xié)議體系都是以分層協(xié)議棧為根底進(jìn)展研究的這種分層和模塊化的設(shè)計(jì)在將新技術(shù)融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。CORVUS的協(xié)議構(gòu)造通用的OSI/ISO協(xié)議棧構(gòu)造如圖3-1所示。從這個(gè)協(xié)議棧構(gòu)造可以看到主要涉及了物理層與鏈路層。在物理層中與認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)相關(guān)的主要模塊包括：頻譜感知、信道估計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。系統(tǒng)內(nèi)SU間的控制和感知信息是通過(guò)兩個(gè)專(zhuān)用邏輯信道通用控制信道(UCC)和組控制信道(GCC)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳送。UCC是系統(tǒng)唯一的公用控制信道每個(gè)SU預(yù)先知道。每個(gè)SUG擁有一個(gè)GCC負(fù)責(zé)交換組內(nèi)控制和感知信息。在鏈路層上與認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)相關(guān)的主要模塊是：組理模塊鏈路理模塊和介質(zhì)接入控制模塊。組理模塊：CORVUS體系構(gòu)造假定系統(tǒng)由主用戶(hù)(PU)和具有認(rèn)知才能的SU組成PU是某些頻段的合法擁有者SU在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)支持下借用PU暫時(shí)未使用頻段通信。多個(gè)SU組成SU組任何一個(gè)SU均屬于某個(gè)組。系統(tǒng)通過(guò)定義的信道全控制信道用來(lái)進(jìn)展組的理。新參加網(wǎng)絡(luò)的SU參加已存在的某個(gè)SUG或者新生成一個(gè)組從UCC處獲取所必需的信息。傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層公用控制信道MAC鏈路理組理公用控制信道MAC鏈路理組理組控組控制信道物理層物理層數(shù)據(jù)傳輸信道估計(jì)頻譜感知數(shù)據(jù)傳輸信道估計(jì)頻譜感知MAC：媒體接入控制MAC：媒體接入控制圖3-1CORVUS的協(xié)議構(gòu)造圖3-1CORVUS的協(xié)議構(gòu)造鏈路理模塊：該模塊負(fù)責(zé)兩個(gè)SU之間的通信建立和鏈路維護(hù)。鏈路層基于感知信息信道估計(jì)或者用戶(hù)/法規(guī)要求等選擇一組子信道用以建立鏈接。在物理層感知到有PU意圖使用這些信道時(shí)鏈路層要換到新的信道以免影響PU并維持自身通信。MAC模塊：MAC是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中比較有挑戰(zhàn)性的局部。在多分組多用戶(hù)系統(tǒng)中MAC要可以提供多個(gè)SU并發(fā)接入一個(gè)鏈接的才能甚至要可以理多個(gè)SU的多個(gè)鏈接并發(fā)使用同一子信道。國(guó)防部高級(jí)研究方案署(DARPA)資助的XG工程也在積極關(guān)注動(dòng)態(tài)使用頻譜問(wèn)題。XG系統(tǒng)設(shè)定普通協(xié)議分層模型不需重新修改傳統(tǒng)MAC協(xié)議只需適當(dāng)晉級(jí)即可例如傳統(tǒng)收發(fā)機(jī)應(yīng)用程序接口(API)可參加X(jué)G原語(yǔ)集成為XG改進(jìn)收發(fā)機(jī)API如圖3-2所示。XG范圍只包括在物理層和MAC層網(wǎng)絡(luò)層及其以上層也不需做改動(dòng)。最終系統(tǒng)形式是完全具有XG特性的MAC層和物理層。但現(xiàn)階段主要研究?jī)?nèi)容是圖上中間局部示意的系統(tǒng)協(xié)議構(gòu)造將具有XG特性和功能的層次模塊集合進(jìn)原有通信系統(tǒng)中。在這樣的XG的協(xié)議棧中MAC層增加了XG處理模塊物理層增加了XG控制模塊。XG總體而言是一個(gè)MAC層的概念但其中一些重要局部卻分布在物理層。比方感知它的搜集和對(duì)接收信強(qiáng)度的平均化處理就被設(shè)計(jì)在物理層進(jìn)展這就必須考慮協(xié)議的跨層問(wèn)題。XG的物理層增加了XG控制功能模塊該模塊識(shí)別出局部特定幀是具有XG特性的并對(duì)其進(jìn)展相應(yīng)處理。XG處理模塊利用物理層發(fā)送和交換頻譜利用信息與物理網(wǎng)絡(luò)上的其它成員協(xié)調(diào)頻譜資源分配這種交互的重要之處在于需要確保選擇頻率在收方是可用的在發(fā)端也不會(huì)造成信阻塞。各XG處理模塊彼此協(xié)調(diào)執(zhí)行動(dòng)態(tài)頻譜共享限制對(duì)主用戶(hù)的干擾還產(chǎn)生物理層的狀態(tài)信息。XGMAC層上增加的XG處理模塊進(jìn)一步分解為：時(shí)機(jī)識(shí)別、時(shí)機(jī)分配、時(shí)機(jī)使用3個(gè)模塊：時(shí)機(jī)識(shí)別模塊：可用的傳輸時(shí)機(jī)集并加上相應(yīng)的約束條件。時(shí)機(jī)集是動(dòng)態(tài)的隨時(shí)間變化。可用的傳輸時(shí)機(jī)為XG全部節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集效勞特別是在目的節(jié)點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。時(shí)機(jī)識(shí)別是一個(gè)分布式工作可能包括感知頻譜時(shí)機(jī)鑒別可用時(shí)機(jī)并賦予約束條件(比方時(shí)間窗口功率和發(fā)射參數(shù))向目的地區(qū)分發(fā)信息等內(nèi)容。時(shí)機(jī)分配模塊：以分布式方式將時(shí)機(jī)識(shí)別模塊確定的可用傳輸時(shí)機(jī)分配給XG節(jié)點(diǎn)。它使用時(shí)機(jī)信息和約束條件創(chuàng)立一個(gè)動(dòng)態(tài)分配表。分配表實(shí)際上是個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)包含對(duì)各個(gè)XG節(jié)點(diǎn)分配的頻率、時(shí)間間隔或碼字。分配也是隨時(shí)間變化的它可以任意介質(zhì)接入控制方式——載波監(jiān)聽(tīng)媒體接入/沖突防止(CA/CA)、頻分多址(FDMA)、TDMA、CDMA或者幾者結(jié)合。時(shí)機(jī)使用模塊：指的是在給定的傳輸時(shí)機(jī)上進(jìn)展通信的物理層機(jī)制它也要負(fù)責(zé)記錄時(shí)機(jī)使用機(jī)制和收發(fā)機(jī)參數(shù)上下限值。此功能模塊的作用就是確保一個(gè)數(shù)據(jù)包在滿(mǎn)足約束條件下盡可能快地傳送。存在很多可能的時(shí)機(jī)使用機(jī)制模塊并不限定使用某種特定實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在分配和識(shí)別模塊間構(gòu)造了一個(gè)時(shí)機(jī)API它是個(gè)XG的API作用是明晰分開(kāi)傳輸時(shí)機(jī)和使用時(shí)機(jī)2種功能。這個(gè)API的使用便于對(duì)2個(gè)模塊進(jìn)展細(xì)化在同一個(gè)系統(tǒng)框架下分別地采用不同執(zhí)行。傳輸層傳輸層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層X(jué)G過(guò)程XG優(yōu)化MAC層繼承MAC層X(jué)G過(guò)程XG優(yōu)化MAC層繼承MAC層MAC層X(jué)G增強(qiáng)XGXG增強(qiáng)XG增強(qiáng)繼承XG優(yōu)化物理層X(jué)G控制物理層X(jué)G優(yōu)化物理層X(jué)G控制物理層物理層收發(fā)機(jī)API收發(fā)機(jī)API收發(fā)機(jī)API收發(fā)機(jī)APIMAC：媒體接入控制API：應(yīng)用程序接口MAC：媒體接入控制API：應(yīng)用程序接口圖3-2:XG協(xié)議棧構(gòu)造圖3-2:XG協(xié)議棧構(gòu)造WRAN的IEEE802.22包括物理層和MAC的協(xié)議與IEEE802.16系列中的構(gòu)造、理和互聯(lián)等要求保持一致性。IEEE802.22協(xié)議在物理層上增加了頻譜感知功能通過(guò)本地頻譜感知技術(shù)以及分布式檢測(cè)等來(lái)可靠地感知某時(shí)刻、某地區(qū)的電視頻段中各子信道是否被授權(quán)的電視信(ATSC、DVB-T、DMB-T等制式)占用使認(rèn)知用戶(hù)可以在對(duì)授權(quán)用戶(hù)系統(tǒng)不造成干擾的情況下接入空閑的電視頻段充分利用有限的頻譜資源。本地檢測(cè)器利用本地的感知天線(xiàn)對(duì)授權(quán)用戶(hù)的信進(jìn)展感知可能的算法包括；匹配濾波、能量檢測(cè)以及周特性檢測(cè)等。由于信道的多徑衰落、陰影效應(yīng)以及隱藏節(jié)點(diǎn)等問(wèn)題的出現(xiàn)從而增加了單個(gè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)檢測(cè)某頻段是否存在原始用戶(hù)的結(jié)果不確定性。為了抑制這一系列問(wèn)題有必要結(jié)合位于不同位置的多節(jié)點(diǎn)進(jìn)展分布式地結(jié)合檢測(cè)。可能的合并算法包括：“與〞、“或〞和“K秩〞等。MAC協(xié)議方面主要參照應(yīng)用于固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入的IEEE802.16并根據(jù)WRAN的特點(diǎn)與要求做了相應(yīng)的修改與擴(kuò)展并將該MAC協(xié)議成為認(rèn)知MAC協(xié)議。在對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)極為重要的頻譜理方面MAC協(xié)議中不僅引入了使得WRAN各覆蓋區(qū)域相重疊的BS能更加有效地共享無(wú)線(xiàn)頻譜的共存信標(biāo)協(xié)議同時(shí)在MAC層的功能中參加了信道理和測(cè)量功能以更加靈敏有效地實(shí)現(xiàn)頻譜理。與IEEE802.16一樣WRAN采取面向連接的通信機(jī)制從而便于提供靈敏的QoS效勞。協(xié)議支持單播多播和播送效勞并采用結(jié)合接入方案以在滿(mǎn)足延遲與帶寬要求的同時(shí)對(duì)用戶(hù)間的連接進(jìn)展有效的理與控制。這主要通過(guò)4種不同的上行調(diào)度機(jī)制來(lái)完成而這4種調(diào)度機(jī)制又通過(guò)主動(dòng)帶寬獲取、投票選舉和競(jìng)爭(zhēng)3個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。IEEE802.22協(xié)議中提出的參考構(gòu)造模型如圖3-3即由一個(gè)頻譜理模塊和多個(gè)MAC/物理層模塊構(gòu)成而CPE僅由一個(gè)MAC/物理層模塊構(gòu)成。其中頻譜理模塊使得系統(tǒng)可以使用不連續(xù)的信道并同時(shí)保持了MAC協(xié)議的簡(jiǎn)單性和可擴(kuò)展性。該模塊負(fù)責(zé)觀察整個(gè)目的頻段并將可用的空閑信道根據(jù)一定(如每個(gè)模塊連接的終端數(shù)通信要求傳輸間隔等)分配給各個(gè)MAC/物理層模塊。此外頻譜理模塊還應(yīng)可以處理不同模塊的懇求如因信道質(zhì)量發(fā)生變化導(dǎo)致切換信道因此需獲得可用信道信息的懇求。高層高層會(huì)聚層會(huì)聚層MAC層頻譜MAC層頻譜理MAC層MAC層......物理層物理層物理層............物理層MAC：媒體接入控制MAC：媒體接入控制圖3-3:IEEE802.22的協(xié)議參考模型圖3-3:IEEE802.22的協(xié)議參考模型3.4CRN網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)接入為到達(dá)在不干擾授權(quán)用戶(hù)的條件下有效地實(shí)現(xiàn)時(shí)機(jī)式頻譜利用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制(MAC)層不僅需要提供傳統(tǒng)的效勞還要求能支持一套全新的功能。主要有：頻譜檢測(cè)理通過(guò)對(duì)檢測(cè)形式的選取、檢測(cè)周及檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)的設(shè)置、檢測(cè)信道的選取和檢測(cè)靜默的設(shè)置等實(shí)現(xiàn)檢測(cè)策略和參數(shù)的選取及優(yōu)化。接入控制主要采用與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)接入和透明接入兩種方式防止與授權(quán)用戶(hù)的接入產(chǎn)生碰撞。動(dòng)態(tài)頻譜分配針對(duì)二進(jìn)制干擾模型和累積干擾模型進(jìn)展不確定頻譜資源的優(yōu)化分配。平安機(jī)制通過(guò)增加mac幀的認(rèn)證和以防御mac層的平安攻擊?？鐚釉O(shè)計(jì)結(jié)合物理層和網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等上層信息設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)全優(yōu)化的mac層技術(shù)。1〕寬帶射頻前端技術(shù)為了提供寬帶頻譜感知才能CR的射頻前端必需可以調(diào)諧到大頻譜范圍內(nèi)的任意頻帶。接收的信通過(guò)放大、混頻和A/D轉(zhuǎn)換等步驟后送入基帶處理進(jìn)展頻譜感知或數(shù)據(jù)檢測(cè)。其中射頻濾波器通過(guò)通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信；低噪放大器(LNA)在放大所需信的同時(shí)最小化噪聲；鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和混頻器結(jié)合控制將所需要的接收信轉(zhuǎn)換到基帶或者中頻處理；信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾；自動(dòng)增益控制(AGC)維持很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸入信經(jīng)放大器的輸出功率恒定。針對(duì)CR應(yīng)用寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)檢測(cè)弱信。為此需要采樣速率高達(dá)幾吉赫茲的高速A/D轉(zhuǎn)換器并且要求超過(guò)12比特的高分辨率為了降低這一需求可以考慮通過(guò)陷波濾波器濾出強(qiáng)信降低信的動(dòng)態(tài)范圍；或采用智能天線(xiàn)技術(shù)通過(guò)空域?yàn)V波來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信濾出。2〕頻譜感知技術(shù)頻譜感知技術(shù)是CR應(yīng)用的根底和前提?，F(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)可分類(lèi)為：?jiǎn)喂?jié)點(diǎn)感知是指單個(gè)CR節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的無(wú)線(xiàn)射頻環(huán)境進(jìn)展頻單節(jié)點(diǎn)感知譜特性標(biāo)識(shí)；單節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)包括匹配濾波、能量檢測(cè)和周特性檢測(cè)3種由于這些各有優(yōu)缺點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常結(jié)合使用。協(xié)同感知那么是通過(guò)數(shù)據(jù)交融多個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果將進(jìn)展綜合判決。協(xié)同頻譜感知的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以有效的消除陰影效應(yīng)的影響。協(xié)同感知可以采用集中或者分布式的方式進(jìn)展。集中式協(xié)同感知是指各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)將本地感知結(jié)果送到基站(BS)或接入點(diǎn)(AP)統(tǒng)一進(jìn)展數(shù)據(jù)交融做出決策；分布式協(xié)同感知那么是指?jìng)€(gè)節(jié)點(diǎn)間互相交換感知信息各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)決策。干擾溫度感知隨著FCC引入干擾溫度模型來(lái)測(cè)量干擾也有人提出通過(guò)測(cè)量干擾溫度進(jìn)展頻譜感知但這種通常要求CR節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶(hù)的位置目前尚面臨很多問(wèn)題。3〕數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)于CR實(shí)現(xiàn)利用空閑頻譜進(jìn)展通信從而整體上進(jìn)步頻譜利用率的主要目的非常關(guān)鍵。由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍并且不連續(xù)因此CR數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必需可以適應(yīng)可用頻譜的這一特性。目前實(shí)現(xiàn)頻譜自適應(yīng)CR數(shù)據(jù)傳輸有2個(gè)根本途徑：采用多載波技術(shù)或采用基帶信發(fā)射波形設(shè)計(jì)。在多載波傳輸技術(shù)中正交頻分復(fù)用(OFDM)是最正確候選技術(shù)。其根本思想是將可用整個(gè)頻帶劃分成OFDM子載波只利用沒(méi)有被授權(quán)用戶(hù)占用的子載波傳輸數(shù)據(jù)構(gòu)成所謂的非連續(xù)OFDM(NC-OFDM)。子載波的分配那么通過(guò)頻譜感知和判決的結(jié)果以分配矢量的方式實(shí)現(xiàn)。例如在進(jìn)展OFDM調(diào)制時(shí)可以將已被授權(quán)用戶(hù)占用的子載波置零從而防止對(duì)授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生干擾。同時(shí)考慮到頻譜滲漏的問(wèn)題還有必要留出足夠的保護(hù)子載波。同時(shí)由于很多子載波并沒(méi)有使用可以通過(guò)一些快速傅立葉變換(FFT)修剪算法降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。OFDM技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)靈敏但也面臨同步、信道估計(jì)以及頂峰平比的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)CR用戶(hù)利用頻譜空穴的同時(shí)防止對(duì)授權(quán)用戶(hù)造成有害干擾要求CR網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制(MAC)層不僅提供傳統(tǒng)的效勞如媒體接入控制和強(qiáng)健的數(shù)據(jù)傳輸還能支持一套全新的功能即在不干擾授權(quán)用戶(hù)的條件下有效地實(shí)現(xiàn)時(shí)機(jī)頻譜利用。這些新的功能表達(dá)在MAC層的頻譜檢測(cè)理、接入控制、動(dòng)態(tài)頻譜分配、平安機(jī)制及跨層設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。頻譜檢測(cè)理通過(guò)對(duì)檢測(cè)形式的選取、檢測(cè)周頻譜檢測(cè)理及檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)的設(shè)置、檢測(cè)信道的選取和檢測(cè)靜默的設(shè)置等實(shí)現(xiàn)檢測(cè)策略和參數(shù)的選取及優(yōu)化。接入控制主要采用與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)接入和透明接入控制兩種方式防止與授權(quán)用戶(hù)的接入產(chǎn)生碰撞。動(dòng)態(tài)頻譜分配針對(duì)二進(jìn)制干擾模型和累積干擾模動(dòng)態(tài)頻譜分配型進(jìn)展不確定頻譜資源的優(yōu)化分配。平安機(jī)制通過(guò)增加MAC幀的認(rèn)證和以防御MAC平安機(jī)制層的平安攻擊。跨層設(shè)計(jì)結(jié)合物理層和網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等上層信跨層設(shè)計(jì)息設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)全優(yōu)化的MAC層技術(shù)。第4章小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)4.1引言同其他類(lèi)型的通信網(wǎng)絡(luò)相比認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)在于利用頻譜空穴進(jìn)展時(shí)機(jī)接入通俗來(lái)講就是在授權(quán)用戶(hù)空閑時(shí)“借用〞授權(quán)用戶(hù)的使用頻率。從這個(gè)角度考慮組建一個(gè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最重要的技術(shù)問(wèn)題就是如何更好的利用頻譜空穴進(jìn)展時(shí)機(jī)接入。詳細(xì)地說(shuō)就是解決“如何發(fā)現(xiàn)頻譜空穴〞和“如何利用頻譜空穴〞這兩個(gè)問(wèn)題。所以認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)研究的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是頻譜感知技術(shù)和頻譜分配技術(shù)。小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)顯然應(yīng)當(dāng)具備一般認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。與此同時(shí)它也應(yīng)當(dāng)和其他典型的小范圍、短間隔無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)具備共同的特征包括低本錢(qián)、低功耗、對(duì)等通信等。通過(guò)將系統(tǒng)介紹認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)并列出幾種典型的短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)。由此引出接下來(lái)的研究重點(diǎn)即認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和短間隔通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。4.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知頻譜感知的目的是及時(shí)準(zhǔn)確的感知到在某時(shí)和某地是否存在可供認(rèn)知用戶(hù)使用的空閑頻段同時(shí)在認(rèn)知用戶(hù)使用時(shí)可以隨時(shí)檢測(cè)是否有授權(quán)用戶(hù)使用該頻段以使認(rèn)知用戶(hù)及時(shí)退出頻段。狹義的頻譜感知指的是對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)而言的頻譜感知也就是單個(gè)節(jié)點(diǎn)在而不依靠外界幫助的情況下完成頻譜感知。頻譜感知的功能主要有兩個(gè)：一是對(duì)頻譜空穴的尋找——充分利用時(shí)機(jī)；二是通信過(guò)程中對(duì)授權(quán)用戶(hù)的檢測(cè)——及時(shí)感知授權(quán)用戶(hù)的狀態(tài)盡量防止對(duì)授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生干擾出于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特殊的應(yīng)用環(huán)境頻譜感知也有其自身的特點(diǎn)。首先它只需判斷授權(quán)用戶(hù)是否存在而不需要從授權(quán)用戶(hù)那里獲取信息因此頻譜感知不必識(shí)別授權(quán)用戶(hù)的波形、調(diào)制方式、編碼方式等——除非是為了進(jìn)步感知成功率；其次頻譜感知只可以通過(guò)被動(dòng)接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的無(wú)線(xiàn)電信完成感知而無(wú)法主動(dòng)發(fā)送無(wú)線(xiàn)信利用雷達(dá)回波或者是反響信來(lái)完成感知。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中如何準(zhǔn)確、快速的完成對(duì)主用戶(hù)的檢測(cè)是頻譜感知所面臨的困難。實(shí)際上目前對(duì)頻譜感知技術(shù)的研究也是主要圍繞準(zhǔn)確、快速這兩個(gè)目的的。(1)能量檢測(cè)法能量檢測(cè)法是一種最常用的頻譜感知。詳細(xì)檢測(cè)是：在主用戶(hù)信未知的情況下根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的能量閾值判斷一旦檢測(cè)到某一頻段在一個(gè)時(shí)間周內(nèi)所積累的能量超過(guò)能量閾值那么斷定主用戶(hù)存在否那么斷定為空閑。能量檢測(cè)法是目前應(yīng)用最廣泛的頻譜感知。也是本文設(shè)計(jì)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所采用的頻譜感知。(2)匹配濾波法匹配濾波法的根本原理是將匹配濾波器的輸出與預(yù)先設(shè)定好的門(mén)限閾值進(jìn)展比較來(lái)完成對(duì)授權(quán)用戶(hù)的檢測(cè)的一種頻譜感知。匹配濾波法的感知時(shí)間較短但是需要感知設(shè)備具備主用戶(hù)的先驗(yàn)信息并預(yù)先存儲(chǔ)在感知設(shè)備中且感知設(shè)備還要具有可以接收并解調(diào)主用戶(hù)信息的模塊。所以匹配濾波法僅適用于對(duì)主用戶(hù)比較理解的頻譜環(huán)境。(3)波形感知法波形感知法是在認(rèn)知用戶(hù)知道主用戶(hù)波形的前提下根據(jù)先驗(yàn)信息產(chǎn)生本地的主用戶(hù)信并將接收到的信和本地主用戶(hù)信進(jìn)展相關(guān)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)對(duì)主用戶(hù)的檢測(cè)。通過(guò)將檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量與閾值相比較來(lái)確定主用戶(hù)的狀態(tài)。(4)小波檢測(cè)法小波檢測(cè)法通常用于較寬頻帶的信檢測(cè)。其根本思路是將待檢測(cè)頻帶劃分為假設(shè)干帶寬較窄的子頻帶通過(guò)對(duì)檢測(cè)信的功率譜度進(jìn)展小波變換可以得到功率譜度的異常狀況并確定空閑子頻帶的位置。除了以上四種之外還有特征值的頻譜感知、熵的頻譜感知、循環(huán)譜的頻譜感知等應(yīng)該說(shuō)這些各有優(yōu)缺點(diǎn)如表4-1所示。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同和本錢(qián)控制的要求靈敏的選擇不同的感知。表4-1：常見(jiàn)頻譜感知優(yōu)缺點(diǎn)比較頻譜感知優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)能量感知簡(jiǎn)單本錢(qián)低虛報(bào)概率高無(wú)法判斷信是主用戶(hù)還是其他干擾匹配濾波感知準(zhǔn)確快速需要解調(diào)主用戶(hù)信系統(tǒng)較為復(fù)雜波形感知可靠性高需要先驗(yàn)知識(shí)對(duì)系統(tǒng)要求高小波分析感知適宜于寬帶信抗干擾才能差4.3認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配與頻譜感知技術(shù)相比認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配技術(shù)所討的問(wèn)題更多涉及的技術(shù)范圍也更廣。一般而言認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配需要解決以下三個(gè)問(wèn)題：認(rèn)知用戶(hù)對(duì)授權(quán)用戶(hù)的干擾問(wèn)題。認(rèn)知用戶(hù)之間的干擾問(wèn)題。(3)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中頻譜空穴的最優(yōu)化利用問(wèn)題。頻譜分配技術(shù)頻譜分配技術(shù)合作方式接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造合作方式接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造非合作合作式填充式下墊式分布式集中式非合作合作式填充式下墊式分布式集中式圖4-1：頻譜分配技術(shù)分類(lèi)根據(jù)系統(tǒng)需求和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的特點(diǎn)不同的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在解決以上三個(gè)問(wèn)題時(shí)采用的頻譜分配技術(shù)也是不一樣的。根據(jù)技術(shù)性質(zhì)的不同一般而言頻譜分配技術(shù)包括以上幾種如圖4-1所示。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的不同頻譜分配方式可以分為集中式頻譜分配和分布式頻譜分配兩種方式。所謂集中式頻譜分配指的是在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)負(fù)責(zé)控制的中心節(jié)點(diǎn)(如基站)中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的頻譜感知結(jié)果或者將其他認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果搜集匯總后最終由中心節(jié)點(diǎn)完成對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的頻譜分配。這種分配方式中非中心節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)沒(méi)有頻率選擇權(quán)。采用分布式頻譜分配的網(wǎng)絡(luò)不存在中心節(jié)點(diǎn)所有節(jié)點(diǎn)均可參與頻譜感知和頻譜分配的工作分配的結(jié)果取決于釆用的分配策略。根據(jù)合作方式的不同頻譜分配方式可分為合作式和非合作式。所謂合作式頻譜分配指的是各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采用的頻譜分配策略并不僅僅取決于節(jié)點(diǎn)自身的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和需求而是同時(shí)考慮了其他節(jié)點(diǎn)的處境。合作式頻譜分配的分配策略致力于尋找在網(wǎng)絡(luò)整體或者局部范圍內(nèi)的最優(yōu)化分配方案而不是單個(gè)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)化分配方案。非合作式頻譜分配方案那么正好相反其分配策略只考慮節(jié)點(diǎn)自身的需求而不考慮其他節(jié)點(diǎn)。一般而言非合作式頻譜分配方案的效率要低于合作式。根據(jù)接入方式的不同頻譜分配方式可分為填充式和下勢(shì)式。填充式頻譜分配方式是最早提出也是最經(jīng)典應(yīng)用最廣的頻譜分配模型它主要依靠尋找授權(quán)用戶(hù)空閑頻率、也就是一般意義上的頻譜空穴來(lái)完成。它對(duì)于頻譜空閑時(shí)機(jī)的利用是在時(shí)域和頻域?qū)崿F(xiàn)的并不允許非授權(quán)用戶(hù)和授權(quán)用戶(hù)在一樣的時(shí)域和頻域上存在。下塑式頻譜分配方式允許授權(quán)用戶(hù)和非授權(quán)用戶(hù)在一樣的時(shí)域和頻域上存在。理上來(lái)講在認(rèn)知用戶(hù)接收機(jī)的性能好于授權(quán)用戶(hù)接收機(jī)的情況下只要嚴(yán)格限制非授權(quán)用戶(hù)的接收功率將其對(duì)授權(quán)用戶(hù)的干擾限制在噪聲門(mén)限之下認(rèn)知用戶(hù)對(duì)頻率的使用是不會(huì)影響授權(quán)用戶(hù)的。表表4-2：不同頻譜分配方式的優(yōu)缺點(diǎn)分配方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)集中式控制簡(jiǎn)單中心節(jié)點(diǎn)負(fù)載重網(wǎng)絡(luò)效率低分布式頻譜利用率高控制復(fù)雜合作式頻譜利用率高控制復(fù)雜非合作式控制簡(jiǎn)單頻譜利用率低沖突率高填充式對(duì)授權(quán)用戶(hù)干擾小頻譜利用率低下墊式頻譜利用率高對(duì)授權(quán)用戶(hù)干擾大4.4短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和實(shí)例目前尚沒(méi)有權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)“短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)〞這個(gè)概念進(jìn)展定義。筆者認(rèn)為但凡通信范圍較小(一般在數(shù)米到數(shù)百米)且采用無(wú)線(xiàn)電波作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)都可以認(rèn)為是短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有以下的特點(diǎn)：(1)本錢(qián)控制嚴(yán)格。一方面由于QoS需求有限所以其本錢(qián)理應(yīng)低于其他網(wǎng)絡(luò)終端；另一方面大范圍推廣的要求必然導(dǎo)致嚴(yán)格的本錢(qián)控制。低功耗。由于通信間隔較短且出現(xiàn)障礙物的可能性較低因此終端的發(fā)射功率和工作功率都較低。(3)對(duì)等通信。和大規(guī)模建立的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)不同大規(guī)模遠(yuǎn)間隔無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)需要通信終端通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)的形式來(lái)進(jìn)展通信；而小規(guī)模的短間隔無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)終端之間的地位是對(duì)等的且在大多數(shù)情況下為端到端的直接通信。(1) Wi-Fi(無(wú)線(xiàn)保真)Wi-Fi技術(shù)是IEEE定義的工作在2.4GHZ/5GHZ頻段的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)。其覆蓋范圍大約在100米左右任何在覆蓋范圍內(nèi)的支持無(wú)線(xiàn)域網(wǎng)的終端都可以在區(qū)域內(nèi)高速接入因特網(wǎng)理通信速率可達(dá)54Mbps。Wi-Fi技術(shù)雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單但是技術(shù)復(fù)雜且平安性較差目前常用于家庭或人流較為集中的場(chǎng)所。(2)藍(lán)牙藍(lán)牙是一個(gè)性的短間隔技術(shù)工作在2.4GHz頻段理通信速率為1Mbps傳輸間隔10米。藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)已在高端和一些電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用但存在平安性能較差、芯片本錢(qián)較高通信速率較低的缺點(diǎn)。(3) AdHoc網(wǎng)絡(luò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)是以一種可以自動(dòng)快速組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)造和通信鏈路實(shí)時(shí)變化的挪動(dòng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。AdHoc網(wǎng)絡(luò)不需要任何有線(xiàn)根底支持所有節(jié)點(diǎn)均由挪動(dòng)主機(jī)構(gòu)成其覆蓋范圍在數(shù)米到數(shù)公里之間。其挪動(dòng)主機(jī)不但需要信息必要時(shí)還需要承擔(dān)尋找路由和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。4.5小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和研究重點(diǎn)設(shè)計(jì)的小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)除了具備認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和短間隔無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)兩者的共同特點(diǎn)之外還應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)。(1)網(wǎng)絡(luò)的性。在必要的情況下網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具備在不需要任何外部硬件措施(如電源、固定基站、計(jì)算機(jī)等)的情況下正常工作的才能。(2)有限的抗打擊才能。網(wǎng)絡(luò)的局部節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或者退出盡可能不影響到網(wǎng)絡(luò)的正常工作。(3)有限的帶寬。由于無(wú)線(xiàn)信道自身的物理特征再加上網(wǎng)絡(luò)本身的QoS要求不高所以網(wǎng)絡(luò)終端不必獲得更大的帶寬。(4)有限的動(dòng)態(tài)拓?fù)?。根?jù)無(wú)線(xiàn)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化網(wǎng)絡(luò)自身可以做出有限的拓?fù)錁?gòu)造調(diào)整。根據(jù)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合的小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和要求網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。(1)頻譜感知方式的研究和選擇。網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方式應(yīng)滿(mǎn)足簡(jiǎn)單、快速、低本錢(qián)的要求。(2)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式的研究和選擇。網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)形式應(yīng)在滿(mǎn)足簡(jiǎn)單、低本錢(qián)的前提下盡可能的進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)的靈敏性和強(qiáng)健性。(3)通信策略的研究和協(xié)議的制定。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式的選擇通信策略和協(xié)議應(yīng)滿(mǎn)足信JT銷(xiāo)小、程序復(fù)雜度低的要求以便通信策略和協(xié)議可以在處理才能較差的硬件平臺(tái)上工作。第5章小型認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)定5.1認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境感知單節(jié)點(diǎn)的發(fā)射機(jī)頻譜檢測(cè)技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)之一是構(gòu)成認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知體系的根本元素。只有在單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可以較為快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地檢測(cè)出主用戶(hù)頻率使用狀態(tài)的根底上認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)才可以做出準(zhǔn)確的決策建立合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。目前國(guó)內(nèi)外研究較多的發(fā)射機(jī)檢測(cè)的頻譜感知主要有：匹配濾波器感知檢測(cè)、波形感知檢測(cè)、能量感知檢測(cè)和小波分析感知檢測(cè)等。采用能量感知檢測(cè)授權(quán)用戶(hù)信的。能量檢測(cè)法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5-1所示。將信x(t)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間采樣后,經(jīng)過(guò)FFT和窗數(shù)濾波可得到Y(jié)(f)將計(jì)算得到的信能量與閾值λ比較后得到判決結(jié)果。圖圖5-1：能量檢測(cè)過(guò)程能量檢測(cè)的判決規(guī)那么如圖5-2所示：圖圖5-2：能量檢測(cè)的判決規(guī)那么雖然能量感知檢測(cè)存在無(wú)法區(qū)分信和噪聲、門(mén)限值不易確定、SNR較低時(shí)性能惡化嚴(yán)重、感應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)但其具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度低、不需要先驗(yàn)知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)特別適用于本錢(qián)控制嚴(yán)格、架構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)QoS要求不高的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在一個(gè)完好的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中僅僅依靠單個(gè)認(rèn)知用戶(hù)自身進(jìn)展頻譜感知是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的單個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的本地頻譜檢測(cè)往往無(wú)法完好準(zhǔn)確地描繪整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜環(huán)境。因此需要以多用戶(hù)協(xié)同感知的來(lái)獲得更加準(zhǔn)確網(wǎng)絡(luò)頻譜環(huán)境以便做出正確的決策。協(xié)同感知一般有集中式感知和分布式感知兩種頻譜感知。本課題采用的感知方式交融了集中式控制和分布式控制的特點(diǎn)由控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜環(huán)境為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)提供端對(duì)端認(rèn)知信道；由認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中自行檢測(cè)本地頻譜環(huán)境并在必要時(shí)及時(shí)反響給控制節(jié)點(diǎn)控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)判決規(guī)那么重新調(diào)整認(rèn)知信道的分配。將這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)議稱(chēng)之為協(xié)議1。5.2認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的層次和功能如圖5-3所示。圖圖5-3：通信協(xié)議的層次和功能由圖5-3可以看出物理層的全部功能和數(shù)據(jù)鏈路層的局部功能已經(jīng)固化到了硬件系統(tǒng)中只有少數(shù)參數(shù)可以通過(guò)軟件進(jìn)展修改。而應(yīng)用層的內(nèi)容主要由用戶(hù)在詳細(xì)環(huán)境中進(jìn)展詳細(xì)設(shè)置。因此通信協(xié)議設(shè)計(jì)的主要工作集中在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)需要完成的功能包括：接收認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的通信懇求、目的節(jié)點(diǎn)、尋找最正確頻率、將最正確通信頻率告知源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)、信道惡化時(shí)重新尋找最正確通信頻率并告知。根據(jù)以上要求認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖5-4所示。圖5-4：控制節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要完成的根本功能有兩個(gè)：數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。(1)數(shù)據(jù)的發(fā)送。作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)為了實(shí)如今認(rèn)知信道的通信首先要保持和控制節(jié)點(diǎn)的通信暢通這樣才可以獲得最優(yōu)化的決策；其次節(jié)點(diǎn)需要有感知功能作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)信道質(zhì)量一旦發(fā)現(xiàn)信道狀況惡化該認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要立即終止數(shù)據(jù)發(fā)送并控制節(jié)點(diǎn)以便迅速獲得新的最正確頻率容許恢復(fù)通信。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程循環(huán)如圖5-5所示。圖圖5-5：認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作循環(huán)(2)數(shù)據(jù)的接收。根據(jù)上文的數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程接收方認(rèn)知節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)這樣設(shè)置：①在預(yù)設(shè)控制信道等待。一旦有通信懇求根據(jù)上文可知該通信懇求無(wú)來(lái)自哪個(gè)節(jié)點(diǎn)都一定是由基站向目的節(jié)點(diǎn)的。②一旦收到控制節(jié)點(diǎn)的通信容許接收節(jié)點(diǎn)立即切換到基站下發(fā)的通信頻率中等待同發(fā)送節(jié)點(diǎn)的通信。③由于接收節(jié)點(diǎn)不負(fù)責(zé)頻譜感知因此從接收節(jié)點(diǎn)的角度出發(fā)一旦通信受阻無(wú)是何種原因?qū)е戮烧J(rèn)定是信道惡化。此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)將切換到預(yù)設(shè)控制信道等待新的通信容許假設(shè)未收到新的容許那么認(rèn)定通信失敗。④一旦通信完畢接收節(jié)點(diǎn)將重新切換到預(yù)設(shè)控制頻道。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖5-6所示。圖圖5-6：認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收