【文章內(nèi)容簡介】 頻率范圍從614～734MHz，共120MHz的帶寬。任何兩個CR用戶的通信都采用FDD雙工方式，多個用戶采用FDMA方式實現(xiàn)多址，每個CR用戶上下行分別占用8MHz頻率資源。圖 21 CR實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構與其它傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡相比，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡具有以下顯著特點：1） 分層的網(wǎng)絡結構CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡采取分層的網(wǎng)絡結構，由CR終端層、中心層和更高層組成。CR終端層為系統(tǒng)的最底層，該層中的CR終端受小區(qū)內(nèi)的中心控制，響應中心的控制完成通信、頻譜檢測、頻譜切換等功能。中心層位于CR終端層的上一層，由各小區(qū)的中心組成，中心控制小區(qū)內(nèi)所有附屬的CR終端的活動，主要負責頻譜資源的分配、呼叫接續(xù)的控制和CR終端之間通信的路由選擇等。更高層主要用于大規(guī)模網(wǎng)絡的組建，負責完成對各中心通信中繼和管理，目前在實驗系統(tǒng)中暫不考慮該層。2） 有控制中心CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡采用有控制中心的結構，小區(qū)中的中心作為小區(qū)的控制中心，控制和管理小區(qū)內(nèi)的所有活動，但它僅作為小區(qū)的控制中心，并不作為小區(qū)內(nèi)CR終端通信的中繼。3） 多跳路由CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡中，CR終端的覆蓋范圍是有限的。當要與其覆蓋范圍之外的CR終端進行通信時，需要中間終端的轉發(fā)，即CR終端之間的通信采取多跳的通信方式，因此CR終端除了要完成正常的功能外，還需要具有數(shù)據(jù)轉發(fā)能力。4） 頻譜感知CR設備能夠感知周圍無線環(huán)境的變化，動態(tài)的選擇合適的工作頻段。根據(jù)Fatih Capar等人在文獻[16]中對CR的定義，CR設備具備檢測出某個頻段是否被授權用戶所占用，即該頻段是否為頻譜空穴的能力。如果確定該頻段為頻譜空穴，CR設備可以使用該頻段作為自己的工作頻段，一旦發(fā)現(xiàn)授權用戶重新開始工作，則必須能夠及時退出該頻段，在下一個頻譜空穴上繼續(xù)工作。5） 無線參數(shù)的自適應調整CR設備能夠根據(jù)可用的頻譜空穴調整無線傳輸參數(shù)。由于CR鏈路的傳播狀態(tài)始終處于不斷的變化中，這就使CR鏈路的服務質量和系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構也不斷地發(fā)生變化，因此CR設備必須能對其無線參數(shù)，如：發(fā)射功率、調制方式和編碼方式，進行自適應調整，以盡可能地減小對授權用戶可能造成的干擾，同時保證網(wǎng)絡的連通性，為用戶提供端到端服務質量保證。6） 功率控制CR設備能夠在通信過程中在不同的功率水準之間切換。采用CR技術實現(xiàn)頻譜共享的前提必須保證對授權用戶不造成干擾，而每個CR設備的發(fā)射功率是造成干擾的主要原因，因此CR設備需要能夠自適應的調整其發(fā)射功率，避免對授權用戶造成干擾的前提下，達到高效的頻譜利用。 認知無線電實驗系統(tǒng)禮儀與協(xié)議 禮儀與協(xié)議概述CR實驗系統(tǒng)禮儀與協(xié)議是一整套用于規(guī)范CR實驗系統(tǒng)進行有序工作的禮儀規(guī)則，這是一組由射頻頻段、空中接口、協(xié)議、空時模型以及為緩解頻譜使用緊張而制訂的高層協(xié)商規(guī)則所組成的規(guī)范模式。頻譜租用程序、用戶優(yōu)先級策略和無線電知識描述語言等都為頻譜的統(tǒng)籌規(guī)范使用提供了保障，為實現(xiàn)CR的頻譜共享提供規(guī)范。CR實驗系統(tǒng)禮儀與協(xié)議用于在頻譜有效和混亂之間進行權衡，使得所有的應急服務、政府、個人和商業(yè)用戶可以主動或被動地共享該協(xié)議的成果。頻譜租用程序是一種類似于握手協(xié)議的協(xié)商程序。頻譜出租者首先發(fā)送出租頻譜的信號，里面包含一些諸如頻率、帶寬、可以使用的時間段以及價格等相關信息；租用者在收到信號后，給對方發(fā)送意向信號，里面列舉了自己所希望達到的要求；雙方經(jīng)協(xié)商后，最后達成一致，從而完成一個簡單的頻譜租用程序。同理，也可以反過來，由租用者事先發(fā)出頻譜需求信息。用戶優(yōu)先級策略是為了提高頻譜管理的高效性和保障社會通信的有序性。應急服務、政府部門、商業(yè)客戶及個體用戶等各種用戶應該具有不同的優(yōu)先級。例如應該首先考慮警方、消防和醫(yī)療急救等社會緊急事務，把他們的優(yōu)先級設定為最高?，F(xiàn)有的頻譜分配特征確定了默認的頻譜使用優(yōu)先級。通過頻譜管理者的授權可以改變?nèi)只蚓植康膬?yōu)先級。這個協(xié)議允許分配一個用戶、一個頻道或者一個有特別優(yōu)先級（用戶、時間、空間和頻率）的組合。CR為人性化服務提供了巨大的潛能，但是頻譜共享禮儀規(guī)則的制訂十分耗費人力。部分原因是由于沒有統(tǒng)一的表示無線電知識的方式，限制了CR對網(wǎng)絡和用戶的響應。RKRL可能會有助于更好地提高該過程的自動化。 認知無線電實驗系統(tǒng)協(xié)議為使系統(tǒng)協(xié)議的設計和實現(xiàn)得以簡化，做出以下假設：1） 系統(tǒng)工作頻段為VHF/UHF頻段，且此頻段內(nèi)授權用戶工作的持續(xù)期遠遠大于系統(tǒng)檢測授權用戶所需要的時間；2） 授權用戶的服務區(qū)域遠遠大于本系統(tǒng)的服務區(qū)域，因此授權用戶發(fā)射的信號在本系統(tǒng)服務區(qū)域以內(nèi)可以近似認為是均勻的，因此沒有隱藏終端和暴露終端的問題，單個CR終端對授權用戶的檢測具有相當高的精度；3） 各CR小區(qū)都存在重疊區(qū)，并且重疊區(qū)域內(nèi)都存在CR終端。根據(jù)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡的特征，參考OSI的經(jīng)典7層協(xié)議模型和TCP/IP的體系結構，可以建立5層CR實驗系統(tǒng)協(xié)議模型。如圖 22所示。圖 22 CR實驗系統(tǒng)協(xié)議模型在CR實驗系統(tǒng)協(xié)議模型中，各層的功能描述如下：1） 物理層物理層主要完成對無線信道的處理，包括信道的區(qū)分和選擇、分配/切換、信號檢測和調制/解調等功能。CR實驗系統(tǒng)的物理層區(qū)別與其他通信系統(tǒng)的主要特征是頻譜感知功能，它能夠進行頻譜空穴的檢測，確定哪一部分頻譜是可用的，當用戶在授權頻段上工作時檢測授權用戶的出現(xiàn)，并將檢測結果通知鏈路層。2） 鏈路層鏈路層可以分割為兩個不同的子層：信道接入的MAC子層和鏈路控制的邏輯鏈路控制子層。MAC子層規(guī)定了不同的用戶如何共享可用的媒體資源，即控制CR終端對共享無線信道的訪問，包括邏輯信道的劃分和分配。該層主要解決實驗系統(tǒng)的核心問題——頻譜共享，它主要包括動態(tài)頻譜分配和動態(tài)頻譜接入。頻譜共享既包括認知用戶與授權用戶的頻譜共享，也包括認知用戶之間的頻譜共享。頻譜分配與接入的公平性和通信開銷也是要考慮的問題。鏈路控制子層負責通信鏈路的建立、維護、切換、釋放等相關操作，并向網(wǎng)絡層提供統(tǒng)一的服務，屏蔽底層不同的MAC方法。3） 網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層的主要功能包括路由發(fā)現(xiàn)、分組傳輸和網(wǎng)絡互聯(lián)等功能，其中路由發(fā)現(xiàn)的作用是發(fā)現(xiàn)和維護去往目的地的路由。分組傳輸是通過確定的路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡亍Ｓ捎贑R網(wǎng)絡中頻譜在時間和空間上的間斷性，網(wǎng)絡拓撲結構和節(jié)點間的連接性與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡有很大的不同。相鄰節(jié)點可能因工作在不同的信道上無法通信，正在通信的節(jié)點對也可能因授權用戶的出現(xiàn)而中斷連接。因此，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡的路由設計面臨傳統(tǒng)網(wǎng)絡所沒有的挑戰(zhàn)。4） 傳輸層傳輸層的主要功能是向應用層提供可靠的端到端的服務，使上層與通信子網(wǎng)（下三層的細節(jié)）相隔離，并根據(jù)網(wǎng)絡層的特性來高效的利用網(wǎng)絡資源。由于CR設備可能在通信過程中使用多個信道的特性，導致通信過程中的鏈路往返時間產(chǎn)生變化，另外，由頻譜切換引入的頻譜切換時延也會對鏈路往返時間產(chǎn)生影響，這些因素都可能導致重傳超時，傳統(tǒng)的TCP協(xié)議的擁塞控制機制可能會重傳實際上并沒有丟失的數(shù)據(jù)包，造成端到端的吞吐量下降。因此，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡需要設計新的傳輸層協(xié)議來解決這些問題。5） 應用層應用層向用戶提供各種應用服務?？筛鶕?jù)用戶的需要提供各具特色的應用層服務。由圖 22的協(xié)議模型看到，頻譜管理功能是該協(xié)議的重要組成部分。在頻譜管理功能中，考慮到頻譜的動態(tài)特性，應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、路由層、介質接入層和物理層的功能都以合作的方式實現(xiàn)。頻譜管理功能主要包括頻譜感知、頻譜分析、頻譜決策、頻譜共享和頻譜切換，解決如何發(fā)現(xiàn)在時域、頻域和空域上的頻譜空穴、如何對頻譜空穴的頻譜特征進行頻譜分析、如何基于頻譜分析對頻譜空穴的描述，進行頻譜決策以選擇合適的工作頻段、如何解決動態(tài)頻譜分配和動態(tài)頻譜接入的問題和如何確保頻譜切換時更加平穩(wěn)和快速，使得認知用戶在頻譜切換時性能下降達到最小的問題。由于CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡需要動態(tài)使用頻譜的通信方式實現(xiàn)，使得CR實驗系統(tǒng)與其它通信系統(tǒng)在協(xié)議上存在較大的不同，下面分別對協(xié)議中的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡層進行分析。1） 物理層CR實驗系統(tǒng)終端的物理層要求有可靠的空閑頻譜檢測和可靠的對授權用戶信號的檢測。因此CR實驗系統(tǒng)終端的物理層必須具備寬帶的感知前端和授權用戶信號的檢測器，準確的檢測頻譜空穴信息和授權用戶的出現(xiàn)。同時能夠接收上層信息，調整其工作參數(shù)。為了滿足CR技術的特點要求，物理層的設計包括可擴展性的調制和編碼方式、頻譜感知和動態(tài)頻譜接入、鏈路間的功率控制等。本系統(tǒng)采取OFDM調制方式、星座圖映射方式是QPSK或者16QAM，甚至更高的64QAM、低密度奇偶校驗碼（LDPC）和Turbo碼等信道編碼技術等以適應不斷變化的無線信道環(huán)境。CR實驗系統(tǒng)的具體參數(shù)如表 21所示。表 21 CR實驗系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)名稱參數(shù)值組網(wǎng)方式有中心的分布式網(wǎng)絡（混合式）小區(qū)覆蓋范圍300m（半徑）雙工方式/多址方式FDD/FDMA星座圖映射QPSK/16QAM調制方式OFDM（64~256）信道編碼方式LDPC/Turbo頻譜感知方式能量感知/信道特征感知基帶信息傳輸速率模擬中頻頻率36MHz射頻工作頻段614~734MHz信道上下行間隔32MHz信道帶寬8MHz2） 鏈路層鏈路層按功能分為MAC子層和鏈路控制子層。MAC主要解決授權用戶與CR用戶之間、以及CR用戶間的媒介訪問沖突；鏈路控制子層主要解決通信鏈路的建立、切換和釋放等相關過程。根據(jù)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡[17]的特性，使得傳統(tǒng)的MAC協(xié)議將不再適用，因此需要重新考慮適合CR實驗系統(tǒng)的MAC協(xié)議。Pawelczak等人提出了一個簡單的CR MAC協(xié)議[18]，將IEEE ，使得該協(xié)議適用于Ad Hoc CR應急網(wǎng)絡。本文主要討論基于IEEE [19]的MAC?；贑R的MAC層需要對變化的無線環(huán)境及時做出反應。除了要求它能提供傳統(tǒng)的MAC服務外，CR的MAC必須能夠提供一套全新的機制來保證系統(tǒng)在TV頻帶有效工作。也就是說需要提供與授權用戶共存、授權用戶保護等機制。同時，頻譜管理與檢測、功率控制也是MAC層的功能。MAC中控制信令信道下行介質接入方式是時分復用（TDM），而上行是時分多址（TDMA）。在MAC中，中心管理控制小區(qū)內(nèi)的所有活動及所屬的CR終端。下面主要描述CR實驗系統(tǒng)MAC協(xié)議各部分功能單元。（1） 接入初始化接入初始化的時候，中心要參考TV信道的使用數(shù)據(jù)庫和區(qū)域內(nèi)的其它中心的信息數(shù)據(jù)庫，通過頻譜空穴的檢測來發(fā)現(xiàn)空閑信道，并在固定的控制信令信道上開始服務。當CR終端開機后，它首先掃描所有的電視信道，建立一張頻譜占用圖表標識每個信道來確定是否有授權用戶被檢測到，同時將該信息通過固定的控制信令信道上傳送給中心。CR終端可以使用該信道與中心建立同步，然后從中心獲取上、行控制信令信道的傳輸參數(shù)，執(zhí)行協(xié)商基本容量、授權、注冊等一系列操作。最后得到中心分配的業(yè)務信道，在業(yè)務信道上完成與其它CR終端的通信。（2） 頻譜感知和管理MAC層的頻譜感知與管理單元用于保證CR設備的運行不會對授權用戶造成干擾。中心指導它所管理的CR終端執(zhí)行周期性的頻譜檢測活動，包括帶內(nèi)檢測和帶外檢測。帶內(nèi)檢測是檢測CR終端正在使用的信道，而帶外檢測是檢測其它信道，用于選擇合適的備用信道。中心發(fā)出的檢測要求和CR終端發(fā)回的檢測回應之間是一對一的通信。同時，為了提高系統(tǒng)性能，中心并不需要每個CR終端都執(zhí)行相同的檢測活動，相對應的，中心根據(jù)合作算法將檢測任務分配給各個CR終端，然后匯集各檢測結果形成頻譜占用圖，同時中心對結果進行分析，必要時改變工作參數(shù)。MAC層除了支持上述功能，同時也支持諸如切換信道、重啟信道和分配信道等信道管理功能。通過這些功能，MAC能夠有效地保證授權用戶不受干擾，實現(xiàn)網(wǎng)絡共存、合作與共享。（3） 功率控制CR實驗系統(tǒng)中同時存在著CR終端之間點對點的數(shù)據(jù)通信和CR終端與中心之間的信令信息通信，因此對數(shù)據(jù)鏈路和信令鏈路分別進行功率控制?？刂奇溌返墓β士刂瓶梢圆捎梅涓C網(wǎng)常用的方式，具體分為上行鏈路功率控制和下行鏈路功率控制，兩者獨立進行。上行鏈路功率控制的目的是調整CR終端的發(fā)射功率，在確保中心獲得穩(wěn)定的接收信號強度前提下降低移動臺功耗；下行鏈路功率控制是調整中心的發(fā)射功率，使CR終端獲得穩(wěn)定的接收信號強度，同時降低功耗。上下行鏈路的功率控制都可通過開環(huán)或閉環(huán)的控制方法來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路用來完成CR終端間的數(shù)據(jù)傳輸。功率控制方式可分為中心集中式控制和CR終端分布式控制兩種。中心進行集中功率控制時，由于數(shù)據(jù)通信采用點對點的方式，因而中心不能通過與CR終端間的上下行鏈路確定CR終端之間的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)。中心控制的精度依賴于CR終端提供的無線環(huán)境信息。當CR終端密度較大時，可提高無線環(huán)境信息準確度，但增加了功率控制算法的復雜度。CR終端進行分布式的功率控制，采用博弈的方法，解決多組用戶在功率資源分配中的競爭與合作問題，使用戶達到目標信噪比的同時盡可能降低發(fā)射功率。鏈路控制子層主要解決通信鏈路的建立、維持、切換和釋放等相關過程。具體過程如圖 23圖 24圖 25所示。（1） 通信鏈路建立通信鏈路的建立包括請求通信、尋呼、接入和通信的過程。圖 23 通信鏈路建立流程主叫終端首先在控制信道上發(fā)送建立請求消息，并等待中心的確認消息，請求消息中包含被叫終端的身份信息。中心收到主叫終端的建立請求消息后，檢索頻譜資源數(shù)據(jù)庫和終端狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，如果可用的頻譜空穴足夠多（至少三個），并且被叫終端處于待機狀態(tài)，在控制信道上發(fā)送確認消息，表明主叫終端的建立請求已經(jīng)通過，同時給主叫終端分配工作頻段。主叫終端在收到中心的確認消息和頻段消息后，通過尋呼信道向被叫終端發(fā)起尋呼。被叫終端在收到主叫終端的尋呼消息后，向中心發(fā)送請求建立消息，并等待中心發(fā)回的確認消息和頻段消息，然后在尋呼信道向主叫終端發(fā)送尋呼響應消息。這里假設在短時間內(nèi)系統(tǒng)的頻譜資源不變，即在通信建立過程中分配給主被叫終端的工作頻段是一致的。接下來主叫終端在接入信道向被叫終端發(fā)送通信確認消息，被叫終端在收到主叫終端發(fā)來的通信確認消息后，發(fā)回確認消息，表明通信已經(jīng)準