【正文】 ..................25 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序 .................................................................................26 其他典型通信協(xié)議架構(gòu)形式 ............................................................................27結(jié) 論 ..........................................................................................................................29參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................30謝 辭 ..........................................................................................................................31 1 / 39第 1 章 緒論無線頻譜資源的緊缺是限制無線移動(dòng)通信與服務(wù)應(yīng)用持續(xù)發(fā)展的瓶頸，作為一種智能的革命性頻譜共享技術(shù)，認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）被稱為未來最熱門的無線技術(shù)。 認(rèn)知無線電的產(chǎn)生背景和特征認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR ）也被稱為智能無線電。從數(shù)千年前烽火臺(tái)的出現(xiàn),到現(xiàn)在3G網(wǎng)絡(luò)的普及,可以說,每一次通信手段的進(jìn)步 ,都是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑。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)足的發(fā)展。自1999年“軟件無線電之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR 的概念并 系統(tǒng)地闡述了CR 的基本原理以來，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 FCC（Federal Communications Commission）和著名學(xué)者Simon Haykin教授的 定義。 CR 特征CR應(yīng)該具備以下 2個(gè)主要特征：(1) 認(rèn)知能力 認(rèn)知能力使CR 能夠從其工作的無線環(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(也稱為頻譜空洞)，并選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)?？梢灾貥?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。根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE) 的定義，一個(gè)無線電設(shè)備可以稱為 SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號(hào)處理通過使用數(shù)字信號(hào)處理軟件完成；這些軟件可以在出廠后修改。 (2)信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)，主要有信道狀態(tài)信息的估計(jì)、信道容量的預(yù)測(cè)。在這些項(xiàng)目的推動(dòng)下，在基本理論、頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議等領(lǐng)域取得了一些成果。該工作組的目的就是使用認(rèn)知無線電技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶(北 美為54MHz～862MHz)的頻率用作寬帶訪問線路。電視轉(zhuǎn)播所用的頻率由于是比過去的無線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40km。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠利用環(huán)境認(rèn)知來獲取環(huán)境信息，通過對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行處理和學(xué)習(xí)做出智能決策，并以此進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)無線環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)。僅僅關(guān)注了無線鏈路底層，而忽視了不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的交互及協(xié)作。目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)開始進(jìn)行認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)級(jí)行為的研究和協(xié)議的制定。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能最大化操作者的能力。最終目標(biāo)都是為了實(shí)現(xiàn)端到端的性能。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。此外，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)應(yīng)該具有擴(kuò)展性和靈活性，以支持未來改善的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和新增的網(wǎng)絡(luò)元素，從而實(shí)現(xiàn)更高層次的通信目標(biāo)。這個(gè)階段涉及無線頻譜資源的分配和管理、對(duì)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源的聯(lián)合管理，期望得到資源的最大利用效率，從而獲得系統(tǒng)性能的最大提升。為了提高認(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)的單一無線環(huán)境擴(kuò)展為包括無線環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶環(huán)境在內(nèi)的多域認(rèn)知環(huán)境。 學(xué)習(xí)階段學(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)，通過動(dòng)作響應(yīng)的結(jié)果，判斷對(duì)系統(tǒng)性能的影響。相關(guān)的學(xué)習(xí)方法主要有：監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)和半監(jiān)督學(xué)習(xí)。為了協(xié)調(diào)授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶間的關(guān)系，提高頻譜管理的效率，新的頻譜管理思想和管理規(guī)則亟待提出，以適應(yīng)用戶的需求和技術(shù)的發(fā)展。 聯(lián)合無線資源管理（JRRM ，Joint Radio Resource Management）用于多個(gè)異構(gòu)無線接入網(wǎng)之間的無線資源分配，它通過聯(lián)合會(huì)話接納控制、聯(lián)合會(huì)話調(diào)度、聯(lián)合負(fù)載控制和切換等功能來實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能和頻譜效率。 4．Selfx 技術(shù) 下一代網(wǎng)絡(luò)融合了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這極大地增加了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性，針對(duì)此問題，研究人員提出了基于自主計(jì)算（AC， Autonomic Computing）的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)自主管理架構(gòu)。自主計(jì)算的核心思想是實(shí)現(xiàn)自主管理（Selfmanagement）功能，7 / 39主要表現(xiàn)為：自配置（Selfconfiguring） 、自恢復(fù)（Selfhealing） 、自優(yōu)化（Selfoptimizing） 、自保護(hù)（Selfprotecting ） ?，F(xiàn)有基于認(rèn)知無線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有美國(guó)的CORVUS系統(tǒng)，基于IEEE (WRAN)和支持多信道多接口的無線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。信道分組使用同時(shí)也提高了帶寬利用率。為避免對(duì)主用戶的干擾，分布式頻譜感知、測(cè)量、檢測(cè)算法以及頻譜管理等認(rèn)知無線電技術(shù)所特有的功能都必須加以考慮。 CORVUS 系統(tǒng) 早在2022年美國(guó)加州大學(xué)伯克立分校的 Brodersen 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組就提出了基于認(rèn)知無線電方式使用虛擬非授權(quán)頻譜的CORVUS體系結(jié)構(gòu)。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，不支持廣播，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。 無線區(qū)域網(wǎng)基于IEEE (WRAN)使用未使用的電視廣播信道，在對(duì)電視信道不產(chǎn)生干擾的前提下，為農(nóng)村地區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)和低人口密度且通信服務(wù)質(zhì)量差的市場(chǎng)提供類似于在城區(qū)或郊區(qū) 使用的寬帶接入技術(shù)的通信性能。在 CPE與BS之間，系統(tǒng)可通9 / 39過轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。正是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的這一特點(diǎn)，使得這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有很大不同。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)知無線電技術(shù)的特征構(gòu)都采用分層結(jié)構(gòu)，在對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(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。因此在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)過程中，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)結(jié)構(gòu)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)。 CORVUS 的協(xié)議體系CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)基于通用的OSI/ISO 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，如圖31所示。UCC是系統(tǒng)唯一的公用控制信道，每個(gè)SU預(yù)先知道。多個(gè)SU組成SU組，任何一個(gè)SU均屬于某個(gè)組。鏈路層基于感知信息，信道估計(jì)或者用戶/法規(guī)要求等選擇一組子信道用以建立鏈接。 XG 項(xiàng)目的協(xié)議體系美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助的XG項(xiàng)目也在積極關(guān)注動(dòng)態(tài)使用頻譜問題。但現(xiàn)階段主要研究?jī)?nèi)容是圖上中間部分示意的系統(tǒng)協(xié)議結(jié)構(gòu)，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。XG的物理層增加了XG控制功能模塊，該模塊識(shí)別出部分特定幀是具有XG特性的并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。機(jī)會(huì)集是動(dòng)態(tài)的，隨時(shí)間變化。它使用機(jī)會(huì)信息和約束條件創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)分配表。此功能模塊的作用就是確保一個(gè)數(shù)據(jù)包在滿足約束條件下盡可能快地傳送。 傳輸層 傳輸層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層MAC 層 XG過程繼承MAC 層XG 優(yōu)化 MAC 層物理層 物理層XG 優(yōu)化物理層XG 控制繼承XG增強(qiáng)XG增強(qiáng)收發(fā)機(jī)API收發(fā)機(jī)API收發(fā)機(jī)API13 / 39 WRAN 的協(xié)議體系WRAN的IEEE 標(biāo)準(zhǔn)包括物理層和 MAC的協(xié)議，與IEEE 系列中的結(jié)構(gòu)、管理和互聯(lián)等要求保持一致性。為了克服這一系列問題，有必要聯(lián)合位于不同位置的多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式地聯(lián)合檢測(cè)。與IEEE 一樣，WRAN采取面向連接的通信機(jī)制，從而便于提供靈活的QoS服務(wù)。其中頻譜管理模塊使得系統(tǒng)能夠使用不連續(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。主要有：頻譜檢測(cè)管理通過對(duì)檢測(cè)模式的選取、檢測(cè)周期及檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)的 設(shè)置、檢測(cè)信道的選取和檢測(cè)靜默期的設(shè)置等實(shí)現(xiàn)檢測(cè)策略和參數(shù)的選取及優(yōu)化?？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)全局優(yōu)化的mac層技術(shù)。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)弱信號(hào)。 圖 33 : IEEE 的協(xié)議參考模型協(xié)同感知?jiǎng)t是通過數(shù)據(jù)融合，基于多個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果將進(jìn)行綜合判決。干擾溫度感知隨著FCC引入干擾溫度模型來測(cè)量干擾，也有人提出通過測(cè)量干擾溫度進(jìn)行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶的位置，目前尚面臨很多問題。 在多載波傳輸技術(shù)中，正交頻分復(fù)用(OFDM)是最佳候選技術(shù)。同時(shí)，考慮到頻譜滲漏的問題，還有必要留出足夠的保護(hù)子載波。這些新的功能體現(xiàn)在MAC層的頻譜檢測(cè)管理、接入控制、動(dòng)態(tài)頻譜分配、安全機(jī)制及跨層設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。安全機(jī)制通過增加MAC幀的認(rèn)證和保密以防御MAC安全機(jī)制層17 / 39的安全攻擊。具體地說，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)問題。通過將系統(tǒng)介紹認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)、短距離無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并列出幾種典型的短距離無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)。 頻譜感知的功能主要有兩個(gè)：一是對(duì)頻譜空穴的尋找——充分利用機(jī)會(huì)；二是通信過程中對(duì)授權(quán)用戶的檢測(cè)——及時(shí)感知授權(quán)用戶的狀態(tài)，盡量避免對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾，出于認(rèn)知無線網(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)。 常用頻譜感知方法(1)能量檢測(cè)法能量檢測(cè)法是一種最常用的頻譜感知方法。(2)匹配濾波法匹配濾波法的基本原理是將匹配濾波器的輸出與預(yù)先設(shè)定好的門限閾值進(jìn)行比較來完成對(duì)授權(quán)用戶的檢測(cè)的一種頻譜感知方法。通過將檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量與閾值相比較來確定主用戶的狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同和成本控制的要求，靈活的選擇不同的感知方法。(3)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜空穴的最優(yōu)化利用問題。 所謂集中式頻譜分配，指的是在認(rèn)知無線網(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)果收集匯總后，最終由中心節(jié)點(diǎn)完成對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的頻譜分配。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。 基于接入方式的分類根據(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。理論上來講，在認(rèn)知用戶接收機(jī)的性能好于授權(quán)用戶接收機(jī)的情況下，只要嚴(yán)格限制非授權(quán)用戶的接收功率，將其對(duì)授權(quán)用戶的干擾限制在噪聲門限之下，認(rèn)知用戶對(duì)頻率的使用是不會(huì)影響授權(quán)用戶的。筆者認(rèn)為，凡是通信范圍較小(一般在數(shù)米到數(shù)百米)且采用無線電波作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，都可以認(rèn)為是短距離無線網(wǎng)絡(luò)。由于通信距離較短，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。其覆蓋范圍大約在100米左右，任何在覆蓋范圍內(nèi)的支持無線局域網(wǎng)的終端都可以在區(qū)域內(nèi)高速接入因特網(wǎng)，理論最高通信速率可達(dá)54Mbps。(3) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是以一種能夠自動(dòng)快速組網(wǎng)的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信鏈路實(shí)時(shí)變化的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。(1)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。(3)有限的帶寬。 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)23 / 39根據(jù)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合的小型認(rèn)知無線網(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。網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)形式應(yīng)在滿足簡(jiǎn)單、低成本的前提下盡可能的提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和健壯性。只有在單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠較為快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地檢測(cè)出主用戶頻率使用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)才能夠做出準(zhǔn)確的決策，建立合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。將信號(hào)x(t) 經(jīng)過一段時(shí)間采樣后,經(jīng)過FFT和窗函數(shù)濾波可得到Y(jié)(f)，將計(jì)算得到的信號(hào)能量與閾值λ比較后得到判決結(jié)果。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方法。 圖 51：能量檢測(cè)過程 圖 52：能量檢測(cè)的判決規(guī)則25 / 39由圖53 可以看出，物理層的全部功能和數(shù)據(jù)鏈路層的部分功能已經(jīng)固化到了硬件系統(tǒng)中，只有少數(shù)參數(shù)可以通過軟件進(jìn)行修改。根據(jù)以上要求，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖54所示。其實(shí)現(xiàn)過程循環(huán)如圖55所示。②一旦收到控制節(jié)點(diǎn)的通信許可，接收節(jié)點(diǎn)立刻切換到基站下發(fā)的通信頻率中，等待同發(fā)送節(jié)點(diǎn)的通信。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖56 所示。圖57右側(cè)這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是，對(duì)頻譜的感知和決策由基站完成，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)不需要負(fù)責(zé)。所謂數(shù)據(jù)通信過程復(fù)雜度,指的就是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成一次數(shù)據(jù)通信所需要消耗的系統(tǒng)時(shí)間資源和空間資源。在數(shù)據(jù)通信方面，協(xié)議1 和協(xié)議2 的方案無疑