【正文】 增加控制節(jié)點)來降低系統(tǒng)的時間復雜度。此時，接收節(jié)點將切換到預設控制信道等待新的通信許可，如果未收到新的許可，則認定通信失敗。將這種網絡架構協(xié)議稱之為協(xié)議1。網絡的頻譜感知方式應滿足簡單、快速、低成本的要求。(2)藍牙藍牙是一個開放性的短距離技術標準，理論最高通信速率為1Mbps ，標準傳輸距離10米。它對于頻譜空閑機會的利用是在時域和頻域實現的，并不允許非授權用戶和授權集中式 分布式 合作式 非合作 下墊式 填充式 圖 41：頻譜分配技術分類21 / 39用戶在相同的時域和頻域上存在。一般而言，認知無線網絡的頻譜分配需要解決以下三個問題：(1)認知用戶對授權用戶的干擾問題。在認知無線網絡環(huán)境中，如何準確、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。接入控制主要采用與授權用戶協(xié)調接入和透明接入控制兩種方式避免與授權用戶的接入產生碰撞。協(xié)同感知可以采用集中或者分布式的方式進行。此外，頻譜管理模塊還應能夠處理不同模塊的請求，如因信道質量發(fā)生變化導致切換信道，因而需獲得可用信道信息的請求。在分配和識別模塊間構造了一個機會API，它是個XG內部的API，作用是清晰分開決定傳輸機會和使用機會2種功能。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。 在鏈路層上，與認知無線電技術相關的主要模塊是：組管理模塊，鏈路管理模塊和介質接入控制模塊。 由于認知無線電技術具有動態(tài)、靈活、智能的特點，因而對網絡協(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、網絡拓撲結構的改變。 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)點訪問骨干網絡(比如Inter)。用戶間的鏈接需要進行有效的控制和管理， 同時滿足延遲和帶寬要求，實現數據傳輸調度。具體來說，各種無線接入技術將會出現重疊覆蓋，各自面向不同的服務要求，技術特性之間存在互補性。 認知階段為了適應時變的無線信道環(huán)境，及時獲取網絡的狀態(tài)信息，認知無線網絡需要借助認知技術，來實現無線資源的有效利用和網絡性能的整體提升。 認知無線網絡的特點認知無線網絡是一種具有認知過程的網絡，它能分辨當前網絡狀態(tài)，然后根據這些狀態(tài)進行規(guī)劃、決策和響應。 認知無線網絡的研究背景所謂認知無線網絡,就是認知無線電的網絡化。從這個意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據相應的任務、政策、規(guī)則和目標進行推理和規(guī)劃的高層功能。3G網絡、UWB 等技術的出現,正是為應對這種巨大的需求所產生的。通過協(xié)議程序復雜度的角度切入，對該協(xié)議進行了分析。認知無線電系統(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 認知無線電系統(tǒng)1 / 39 CR 技術的產生通信手段的不斷進步,正是人類社會不斷進步的標志。(2) 重構能力 重構能力使得 CR 設備可以根據無線環(huán)境動態(tài)編程，從而允許 CR 設備采用不同的無線傳輸技術收發(fā)數據。3 / 39 2022年10月， 工作組， 別名稱為“Wireless Regional Area Network(WRAN，無線區(qū)域網絡)” 。在認知無線網絡的框架內，無線網絡將根據其與周邊多維環(huán)境(網絡、協(xié)議、應用等)交互信息的情況，調整其網絡特性，實現最優(yōu)的系統(tǒng)性能。理想的情況是，一個認知無線網絡應該具有前瞻性而不僅僅是反應式的處理，它應該在問題出現之前就嘗試校正修整。當用戶感知到對外界環(huán)境的某些參數后，做出決策并作用于外界環(huán)境，外界環(huán)境給認知用戶一個反饋，學習階段就是逐步分析這些反饋，以達到最佳策略，繼而完成學習的過程。它的本質是由系統(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)行相應的調整系統(tǒng)操作。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)內認知網絡實體的共存問題。用戶通過與基站(BS)的空中接口接入核心網絡，一個CPE可支持多個傳輸數據、語音和視頻的用戶網絡的接入，通過BS 可接入到多個核心網絡?，F有認知無線電系統(tǒng)的一些協(xié)議體系都是以分層協(xié)議棧為基礎進行研究的，這種分層和模塊化的設計在將新技術融入現有網絡技術時具有一定優(yōu)勢。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。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。在對認知無線電系統(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頻譜管理。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)和混頻器聯合控制，將所需要的接收信號轉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)范圍內的輸入信號經放大器的輸出功率恒定。例如，在進行OFDM調制時，可以將已被授權用戶占用的子載波置零，從而避免對授權用戶產生干擾。與此同時，它也應當和其他典型的小范圍、短距離無線通信網絡具備共同的特征，包括低成本、低功耗、對等通信等。(3)波形感知法波形感知法是在認知用戶知道主用戶波形的前提下，根據先驗信息產生本地的主用戶信號，并將接收到的信號和本地主用戶信號進行相關運算以實現對19 / 39主用戶的檢測。 基于合作方式的頻譜分配根據合作方式的不同，頻譜分配方式可分為合作式和非合作式。(2)低功耗。網絡的部分節(jié)點發(fā)生故障或者退出，盡可能不影響到網絡的正常工作。能量檢測法的實現過程如圖51 所示。作為數據發(fā)送方的認知節(jié)點為了實現在認知信道的通信，首先要保持和控制節(jié)點的通信暢通，這樣才能夠獲得最優(yōu)化的決策；其次，節(jié)點需要有感知功能，作為數據發(fā)送方的認知節(jié)點需要在發(fā)送數據的過程中隨時監(jiān)測信道質量，一旦發(fā)現信道狀況惡化，該認知節(jié)點需要立刻終止數據發(fā)送并通知控制節(jié)點，以便迅速獲得新的最佳頻率許可恢復通信。將這種網絡架構稱之為協(xié)議3。一次數據通信所發(fā)送的數據量比較大，一般而言需要將數據拆解為多幀發(fā)送。(2) 數據的接收。 能量檢測的判決規(guī)則如圖52所示： 雖然能量感知檢測存在無法區(qū)分信號和噪聲、門限值不易確定、SNR 較低時性能惡化嚴重、感應時間較長等缺點， 但其具有實現方法簡單、計算復雜度低、不需要先驗知識等優(yōu)點， 特別適用于成本控制嚴格、架構簡單、對QoS 要求不高的認知無線網絡。由于無線信道自身的物理特征，再加上網絡本身的QoS要求不高，所以網絡終端不必獲得更大的帶寬。(3)對等通信。合作式頻譜分配的分配策略致力于尋找在網絡整體或者局部范圍內的最優(yōu)化分配方案，而不是單個節(jié)點的最優(yōu)化分配方案。(4)小波檢測法小波檢測法通常用于較寬頻帶的信號檢測。由此引出接下來的研究重點，即認知無線網絡和短距離通信網絡的結合。同時，由于很多子載波并沒有使用，可以通過一些快速傅立葉變換(FFT)修剪算法降低系統(tǒng)實現的復雜度。為此，需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A/D 轉換器，并且要求超過12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過陷波濾波器濾出強信號， 降低信號的動態(tài)范圍；或采用智能天線技術，通過空域濾波來實現強信號濾出。協(xié)議支持單播，多播和廣播服務，并采用聯合接入方案以在滿足延遲與帶寬要求的同時，對用戶間的連接進行有效的管理與控制。分配表實際上是個分布式的數據庫，包含對各個XG節(jié) 點分配的頻率、時間間隔或碼字。XG系統(tǒng)設定普通協(xié)議分層模型不需重 新修改傳統(tǒng)MAC協(xié)議，只需適當升級即可，例如傳統(tǒng)收發(fā)機應用程序接口(API)可加入XG原語集成為XG改進收發(fā)機API，如圖32所示。從這個協(xié)議棧結構可以看到，主要涉及了物理層與鏈路層。在任何情況下，BS提供集中式的控制，包括功率管理、頻率管理和調度控制?，F實中，作為覆蓋范圍巨大的多個認知無線電小區(qū)之間很有可能會發(fā)生部分重疊，最壞情況下甚至完全重疊。以上自主管理的功能也被稱為 Selfx。 決策和調整階段1．頻譜管理 由于認知無線網絡中用戶對帶寬的需求、可用信道的數量和位置都是實時變化的。認知集中在對無線環(huán)境域、網絡環(huán)境域和用戶域的多域認知上，完成對海量認知信息的獲取，為以后的學習、決策、調整階段提供信息輸入。但是國內的研究仍然主要處于頻譜感知、頻譜決策等分支學科研究階段。這是繼2022年實現民用的“UWB”之后又一全新的無線頻率應用技術。重構的核心思想是在不對頻譜授權用戶(LU)產生有害干擾的前提下，利用授權系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務。上世紀90年代,隨著無線通信被越來越多的應用在軍事、科研、社會生活的各個領域,頻譜資源的使用和分配逐漸受到了國際組織和各國政府的重視?，F有基于認知無線電技術的網絡架構主要有美國的 CORVUS 系統(tǒng)，基于 IEEE 的無線局域網(WRAN)和支持多信道多接口的無線 Mesh 網絡；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。另一方面,隨著電子技術的進步,數字通信技術也得到了長足的發(fā)展。根據電子與電氣工程師協(xié)會(IEEE) 的定義，一個無線電設備可以稱為 SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號處理通過使用數字信號處理軟件完成；這些軟件可以在出廠后修改。電視轉播所用的頻率由于是比過去的無線LAN更低的頻帶，因此基站設備可覆蓋的范圍很大，半徑超過40km。無線認知網絡能最大化操作者的能力。這個階段涉及無線頻譜資源的分配和管理、對異構無線網絡資源的聯合管理，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。為了協(xié)調授權用戶和非授權用戶間的關系，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，以適應用戶的需求和技術的發(fā)展?，F有基于認知無線電技術的網絡架構主要有美國的CORVUS系統(tǒng)，基于IEEE (WRAN)和支持多信道多接口的無線Mesh網絡；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。 CORVUS 系統(tǒng) 早在2022年美國加州大學伯克立分校的 Brodersen 教授領導的研究組就提出了基于認知無線電方式使用虛擬非授權頻譜的CORVUS體系結構。正是因為節(jié)點的這一特點，使得這類網絡結構設計和布置與傳統(tǒng)網絡有很大不同。UCC是系統(tǒng)唯一的公用控制信道，每個SU預先知道。但現階段主要研究內容是圖上中間部分示意的系統(tǒng)協(xié)議結構，將具有XG特性和功能的層次模塊集合進原有通信系統(tǒng)中。此功能模塊的作用就是確保一個數據包在滿足約束條件下盡可能快地傳送。其中頻譜管理模塊使得系統(tǒng)能夠使用不連續(xù)的信道，并同時保持了MAC協(xié)議的簡單性和可擴展性。 圖 33 : IEEE 的協(xié)議參考模型協(xié)同感知則是通過數據融合，基于多個節(jié)點的感知結果將進行綜合判決。這些新的功能體現在MAC層的頻譜檢測管理、接入控制、動態(tài)頻譜分配、安全機制及跨層設計等各個方面。 頻譜感知的功能主要有兩個：一是對頻譜空穴的尋找——充分利用機會；二是通信過程中對授權用戶的檢測——及時感知授權用戶的狀態(tài)，盡量避免對授權用戶產生干擾，出于認知無線網絡特殊的應用環(huán)境，頻譜感知也有其自身的特點。在實際應用中，應根據網絡環(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。 基于接入方式的分類根據接入方式的不同，頻譜分配方式可分為填充式和下勢式。其覆蓋范圍大約在100米左右，任何在覆蓋范圍內的支持無線局域網的終端都可以在區(qū)域內高速接入因特網，理論最高通信速率可達54Mbps。 小型認知無線網絡設計的研究重點23 / 39根據認知無線網絡關鍵技術，結合的小型認知無線網絡的特點和要求，網絡的研究重點主要集中在以下幾個方面。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。②一旦收到控制節(jié)點的通信許可，接收節(jié)點立刻切換到基站下發(fā)的通信頻率中，等待同發(fā)送節(jié)點的通信。在數據通信方面，協(xié)議1 和協(xié)議2 的方案無疑更加優(yōu)越。圖57右側這種網絡的特點是，對頻譜的感知和決策由基站完成，認知節(jié)點不需要負責。根據以上要求，認知無線網絡控制節(jié)點的一個工作循環(huán)如圖54所示。只有在單個認知節(jié)點能夠較為快速、準確、穩(wěn)定地檢測出主用戶頻率使用狀態(tài)的基礎上，認知無線網絡才能夠做出準確的決策，建立合理的網絡架構體系。(1)網絡的獨立性。筆者認為，凡是通信范圍較小(一般在數米到數百米)且采用無線電波作為傳輸介質的網絡，都可以認為是短距離無線網絡。 所謂集中式頻譜分配，指的是在認知無線網絡中存在一個負責控制的中心節(jié)點(如基站 )，中心節(jié)點根據自身的頻譜感知結果或者將其他認知節(jié)點的感知結果收集匯總后，最終由中心節(jié)點完成對其他節(jié)點的頻譜分配。(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先設定好的門限閾值進行比較來完成對授權用戶的檢測的一種頻譜感知方法。具體地說，就是解決“如何發(fā)現頻譜空穴”和“如何利用頻譜空穴”這兩個問題。 在多載波傳輸技術中，正交頻分復用(OFDM)是最佳候選技術?？鐚釉O計結合物理層和網絡層、傳輸層等上層信息設計和實現全局優(yōu)化的mac層技術。為了克服這一系列問題，有必要聯合位于不同位置的多節(jié)點進行分布式地聯合檢測。機會集是動態(tài)的，隨時間變化。鏈路層基于感