【正文】 地的主用戶信號，并將接收到的信號和本地主用戶信號進(jìn)行相關(guān)運算以實現(xiàn)對19 / 39主用戶的檢測。實際上，目前對頻譜感知技術(shù)的研究也是主要圍繞準(zhǔn)確、快速這兩個目標(biāo)的。與此同時，它也應(yīng)當(dāng)和其他典型的小范圍、短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)具備共同的特征，包括低成本、低功耗、對等通信等。動態(tài)頻譜分配針對二進(jìn)制干擾模型和累積干擾模動態(tài)頻譜分配型進(jìn)行不確定頻譜資源的優(yōu)化分配。例如，在進(jìn)行OFDM調(diào)制時，可以將已被授權(quán)用戶占用的子載波置零，從而避免對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾。集中式協(xié)同感知是指各個感知節(jié)點將本地感知結(jié)果送到基站(BS)或接入點 (AP)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，做出決策；分布式協(xié)同感知則是指個節(jié)點間 相互交換感知信息，各個節(jié)點獨自決策。其中，射頻濾波器通過通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號；低噪放大器(LNA) 在放大所需信號的同時最小化噪聲；鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器 (VCO)和混頻器聯(lián)合控制，將所需要的接收信號轉(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；自動增益控制(AGC) 維持很寬的動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號經(jīng)放大器的輸出功率恒定。 高層 匯聚層 MAC 層 物理層 MAC 層 物理層 MAC 層 物理層 頻譜 管理 MAC：媒體接入控制... ...... ...15 / 39 CRN 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入 為達(dá)到在不干擾授權(quán)用戶的條件下有效地實現(xiàn)機會式頻譜利用，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制(MAC)層不僅需要提供傳統(tǒng)的服務(wù)，還要求能支持一套全新的功能。在對認(rèn)知無線電系統(tǒng)極為重要的頻譜管理方面， 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線頻譜的共存信標(biāo)協(xié)議，同時在MAC層的功能中加入了信道管理和測量功能以更加靈活有效地實現(xiàn)頻譜管理。這個API的使用便于對2個模塊進(jìn)行獨立細(xì)化，在同一個系統(tǒng)框架下分別地采用不同方法執(zhí)行。機會分配模塊：以分布式方式將機會識別模塊確定的可用傳輸 機會分配給XG節(jié)點。比如感知，它的收集和對接收信號強度的平 均化處理就被設(shè)計在物理層進(jìn)行，這就必須考慮協(xié)議的跨層問題。在多分組多用戶系統(tǒng)中，MAC要能夠提供多個SU并發(fā)接入一個鏈接的能力，甚至要能夠管理多個SU的多個鏈接并發(fā)使用同一子信道。 組管理模塊：CORVUS體系結(jié)構(gòu)假定系統(tǒng)由主用戶(PU)和具有認(rèn)知能力的SU組成，PU是某些頻段的合法擁有者，SU 在認(rèn)知無線電技 術(shù)支持下借用PU暫時未使用頻段通信。現(xiàn)有認(rèn)知無線電系統(tǒng)的一些協(xié)議體系都是以分層協(xié)議棧為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的，這種分層和模塊化的設(shè)計在將新技術(shù)融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時具有一定優(yōu)勢。因此在設(shè)計認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時，將遵循以下原則：協(xié)議設(shè)計應(yīng)充分反映認(rèn)知無線電技術(shù)的特征。用戶通過與基站(BS)的空中接口接入核心網(wǎng)絡(luò)，一個CPE可支持多個傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻的用戶網(wǎng)絡(luò)的接入，通過BS 可接入到多個核心網(wǎng)絡(luò)。不同SUG中的SU是不能直接通 信的。共存問題包括兩個層次：一是對主用戶系統(tǒng)的干擾問題；二是對于重疊區(qū)、部分重疊區(qū)內(nèi)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)實體的共存問題。在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度時需要考慮以下幾個因素：與交疊的認(rèn)知無線電小區(qū)的共存、業(yè)務(wù)流對應(yīng)的調(diào)度業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)流的服務(wù)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Ｋ谋举|(zhì)是由系統(tǒng)主動監(jiān)視自身的運行狀態(tài)，并按照管理策略針對不同的運行狀態(tài)自動執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)整系統(tǒng)操作。這些特點使得異構(gòu)無線接入技術(shù)之間的資源共享成為可能，由此提高系統(tǒng)性能和資源利用率，帶來更好的用戶體驗。當(dāng)用戶感知到對外界環(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)知用戶一個反饋，學(xué)習(xí)階段就是逐步分析這些反饋，以達(dá)到最佳策略，繼而完成學(xué)習(xí)的過程。由于未來必定是多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存的局面，用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運行狀況來自主選擇要接入的性能最佳的網(wǎng)絡(luò)，從而為用戶提供最好的端到端QoS（Quality of Service）保證，認(rèn)知為這一目標(biāo)的實現(xiàn)提供了重要的手段。理想的情況是，一個認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有前瞻性而不僅僅是反應(yīng)式的處理，它應(yīng)該在問題出現(xiàn)之前就嘗試校正修整。網(wǎng)絡(luò)能在這些自適應(yīng)過程中學(xué)習(xí)，并可以將學(xué)到的知識用于以后的決策。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的框架內(nèi)，無線網(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，實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能。其本質(zhì)在于將認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)——環(huán)境感知、智能接入等——應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究。3 / 39 2022年10月， 工作組， 別名稱為“Wireless Regional Area Network(WRAN，無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò))” 。一般來說認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須具備以下基本功能：一般來說認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須具備以下基本功能： (1)對無線環(huán)境的場景分析，包括空間電磁環(huán)境中干擾溫度的估計和頻譜空穴的檢測。(2) 重構(gòu)能力 重構(gòu)能力使得 CR 設(shè)備可以根據(jù)無線環(huán)境動態(tài)編程，從而允許 CR 設(shè)備采用不同的無線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。在頻譜資源日益緊張和數(shù)字通信技術(shù)日益發(fā)達(dá)的大背景下,認(rèn)知無線電技術(shù)的產(chǎn)生,是歷史發(fā)展的必然選擇。認(rèn)知無線電系統(tǒng)如圖11所示：無線環(huán)境頻譜決策頻譜感知頻譜分析 頻譜空穴信息圖 11 認(rèn)知無線電系統(tǒng)1 / 39 CR 技術(shù)的產(chǎn)生通信手段的不斷進(jìn)步,正是人類社會不斷進(jìn)步的標(biāo)志。同其他典型協(xié)議相比較， 該協(xié)議通過采用集中式控制、分布式感知、點對點通信的機制，盡可能地做到了揚長避短，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和復(fù)雜度得到了兼顧。通過協(xié)議程序復(fù)雜度的角度切入，對該協(xié)議進(jìn)行了分析。認(rèn)知無線電能夠幫助用戶自動選擇最好的、最廉價的服務(wù)進(jìn)行無線傳輸，甚至能夠根據(jù)現(xiàn)有的或者即將獲得的無線資源延遲或主動發(fā)起傳送。3G網(wǎng)絡(luò)、UWB 等技術(shù)的出現(xiàn),正是為應(yīng)對這種巨大的需求所產(chǎn)生的。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測可用頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析估計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需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。從這個意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層功能。目前，最引人關(guān)注的，該工作組正在制訂利用空閑電視頻段進(jìn)行寬帶無線接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個引入認(rèn)知無線電概念的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化活動。 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的研究背景所謂認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò),就是認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化。所以，認(rèn)知無線電的研究視角逐漸從無線鏈路的底層功能擴展到了更高層次的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(CRN) 已逐漸成為認(rèn)知無線電未來研究和產(chǎn)業(yè)化方向的共識。 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知過程的網(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)行規(guī)劃、決策和響應(yīng)。 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該將對網(wǎng)絡(luò)性能的觀察（或者代理觀察）作為決策處理過程的輸入，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。 認(rèn)知階段為了適應(yīng)時變的無線信道環(huán)境，及時獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要借助認(rèn)知技術(shù)，來實現(xiàn)無線資源的有效利用和網(wǎng)絡(luò)性能的整體提升。簡而言之，期望通過經(jīng)驗學(xué)習(xí)來獲得系統(tǒng)性能的提升。具體來說，各種無線接入技術(shù)將會出現(xiàn)重疊覆蓋，各自面向不同的服務(wù)要求，技術(shù)特性之間存在互補性。所謂自主計算，即通過設(shè)計、構(gòu)建一個能夠自管理的計算系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)的自我管理，以便將管理人員從復(fù)雜管理任務(wù)中解脫出來，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少管理成本。用戶間的鏈接需要進(jìn)行有效的控制和管理， 同時滿足延遲和帶寬要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度。 同一個SUG中的節(jié)點可以彼此間以Ad hoc方式通信，或者通過專用接入節(jié)點訪問骨干網(wǎng)絡(luò)(比如Inter)。在下行方向上，WRAN 采用固定的點對多點星型結(jié)構(gòu)，其信息傳播方式為廣播方式；在上行方向上，WRAN向用戶提供有效的多址接入，采取按需多址(DAMA)和時分多址(TDMA)，即各用戶場地設(shè)備(CPE)以傳輸需求為基礎(chǔ)，根據(jù)DAMA 和TDMA機制共享上行信道。 由于認(rèn)知無線電技術(shù)具有動態(tài)、靈活、智能的特點，因而對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求也比較高，要求協(xié)議具有異步、實時的特點，必須能自適應(yīng)于因終端變動、無線環(huán)境變動而帶來的可用頻譜資源的動態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。由于目前的通信格局是多系統(tǒng)共存，因此在認(rèn)知無線電協(xié)議架構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮與其它系統(tǒng)之間的共存問題。 在鏈路層上，與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊是：組管理模塊，鏈路管理模塊和介質(zhì)接入控制模塊。MAC模塊：MAC是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中比較有挑戰(zhàn)性的部分。XG總體而言是一個MAC層的概念，但其中一些重要部分卻分布在物理層。機會識別是一個分布式工作，可能包括感知頻譜機會，鑒別可用機會并賦予約束條件(比如時間窗口，最大功率和發(fā)射參數(shù)) ，向目標(biāo)地區(qū)分發(fā)信息等內(nèi)容。在分配和識別模塊間構(gòu)造了一個機會API，它是個XG內(nèi)部的API，作用是清晰分開決定傳輸機會和使用機會2種功能。MAC協(xié)議方面，主要參照應(yīng)用于固定寬帶無線接入的IEEE 標(biāo)準(zhǔn)， 并根據(jù)WRAN 的特點與要求做了相應(yīng)的修改與擴展， 并將該MAC協(xié)議成為認(rèn)知MAC協(xié)議。此外，頻譜管理模塊還應(yīng)能夠處理不同模塊的請求，如因信道質(zhì)量發(fā)生變化導(dǎo)致切換信道，因而需獲得可用信道信息的請求。接收的信號通過放大、混頻和A/D轉(zhuǎn)換等步驟后送入基帶處理，進(jìn)行頻譜感知或數(shù)據(jù)檢測。協(xié)同感知可以采用集中或者分布式的方式進(jìn)行。子載波的分配則通過頻譜感知和判決的結(jié)果，以分配矢量的方式實現(xiàn)。接入控制主要采用與授權(quán)用戶協(xié)調(diào)接入和透明接入控制兩種方式避免與授權(quán)用戶的接入產(chǎn)生碰撞。小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)顯然應(yīng)當(dāng)具備一般認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如何準(zhǔn)確、快速的完成對主用戶的檢測是頻譜感知所面臨的最大困難。所以，匹配濾波法僅適用于對主用戶比較了解的頻譜環(huán)境。一般而言，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配需要解決以下三個問題：(1)認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾問題。采用分布式頻譜分配的網(wǎng)絡(luò)不存在中心節(jié)點，所有節(jié)點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。它對于頻譜空閑機會的利用是在時域和頻域?qū)崿F(xiàn)的，并不允許非授權(quán)用戶和授權(quán)集中式 分布式 合作式 非合作 下墊式 填充式 圖 41：頻譜分配技術(shù)分類21 / 39用戶在相同的時域和頻域上存在。一方面，由于QoS需求有限，所以其成本理應(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)格的成本控制。(2)藍(lán)牙藍(lán)牙是一個開放性的短距離技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，理論最高通信速率為1Mbps ，標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離10米。(2)有限的抗打擊能力。網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方式應(yīng)滿足簡單、快速、低成本的要求。采用能量感知檢測授權(quán)用戶信號的方法。將這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)議稱之為協(xié)議1。 圖 53：通信協(xié)議的層次和功能 圖 54：控制節(jié)點的一個工作循環(huán) (1) 數(shù)據(jù)的發(fā)送。此時，接收節(jié)點將切換到預(yù)設(shè)控制信道等待新的通信許可，如果未收到新的許可，則認(rèn)定通信失敗。一旦在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)信道惡化，由基站進(jìn)行感知和信道切換，并及時將信道變化通知通信雙方的認(rèn)知節(jié)點。這種改進(jìn)思路與算法設(shè)計中常用到的“以空間換時間”是類似的，即通過增加系統(tǒng)的空間復(fù)雜度( 增加控制節(jié)點)來降低系統(tǒng)的時間復(fù)雜度。圖 56：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收數(shù)據(jù)的工作循環(huán) 圖 57：獨立感知的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)由于協(xié)議1 和協(xié)議2 在數(shù)據(jù)通信的過程中均采用點對點通信的方式，因此兩者的時間復(fù)雜度隨著幀數(shù)的變化趨勢是相同的。這種架構(gòu)最大的特點是，作為通信的接收節(jié)點，由于通信之前沒有任何先驗信息，因此，接收節(jié)點需要在所有預(yù)設(shè)信道中輪流等待接收， 直到收到握手包為止。根據(jù)上文的數(shù)據(jù)發(fā)送過程， 接收方認(rèn)知節(jié)點應(yīng)當(dāng)這樣設(shè)置：①在預(yù)設(shè)控制信道等待。因此通信協(xié)議設(shè)計的主要工作集中在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。 協(xié)同感知方法在一個完整的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，僅僅依靠單個認(rèn)知用戶自身進(jìn)行頻譜感知是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，單個認(rèn)知用戶的本地頻譜檢測往往無法完整準(zhǔn)確地描述整個網(wǎng)絡(luò)的頻譜環(huán)境。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)滿足信令JT銷小、程序復(fù)雜度低的要求，以便通信策略和協(xié)議能夠在處理能力較差的硬件平臺上工作。(4)有限的動態(tài)拓?fù)?。其移動主機不但需要首發(fā)信息，必要時還需要承擔(dān)尋找路由和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。和大規(guī)模建設(shè)的無線通信網(wǎng)絡(luò)不同，大規(guī)模遠(yuǎn)距離無線通信網(wǎng)絡(luò)需要通信終端通過接入網(wǎng)絡(luò)的形式來進(jìn)行通信；而小規(guī)模的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)的各個終端之間的地位是對等的，且在大多數(shù)情況下為端到端的直接通信。在實際應(yīng)用中同樣需要根據(jù)環(huán)境的不同進(jìn)行靈活的選擇。非合作式頻譜分配方案則正好相反，其分配策略只考慮節(jié)點自身的需求而不考慮其他節(jié)點。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41所示。其基本思路是，將待檢測頻帶劃分為若干帶寬較窄的子頻帶，通過對檢測信號的功率譜密度進(jìn)行小波變換，可以得到功率譜密度的異常狀況并確定空閑子頻帶的位置。能量檢測法是目前應(yīng)用最廣泛的頻譜感知方法。 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知 頻譜感知的功能和特點頻譜感知的目的是及時準(zhǔn)確的感知到在某時和某地是否存在可供認(rèn)知用戶使用的空閑頻段，同時在認(rèn)知用戶使用時能夠隨時檢測是否有授權(quán)用戶使用該頻段，以使認(rèn)知用戶及時退出頻段。 第 4 章 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 引言同其他類型的通信網(wǎng)絡(luò)相比，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)在于利用頻譜空穴進(jìn)行