【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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其它傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有以下顯著特點：1） 分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采取分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(fù)責(zé)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(luò)的組建，負(fù)責(zé)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(luò)采用有控制中心的結(jié)構(gòu)，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(luò)中，CR終端的覆蓋范圍是有限的。當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)能力。4） 頻譜感知CR設(shè)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(shè)備具備檢測出某個頻段是否被授權(quán)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(shè)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(quán)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(yīng)調(diào)整CR設(shè)備能夠根據(jù)可用的頻譜空穴調(diào)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(wù)質(zhì)量和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不斷地發(fā)生變化，因此CR設(shè)備必須能對其無線參數(shù)，如：發(fā)射功率、調(diào)制方式和編碼方式，進行自適應(yīng)調(diào)整，以盡可能地減小對授權(quán)用戶可能造成的干擾，同時保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，為用戶提供端到端服務(wù)質(zhì)量保證。6） 功率控制CR設(shè)備能夠在通信過程中在不同的功率水準(zhǔn)之間切換。采用CR技術(shù)實現(xiàn)頻譜共享的前提必須保證對授權(quán)用戶不造成干擾，而每個CR設(shè)備的發(fā)射功率是造成干擾的主要原因，因此CR設(shè)備需要能夠自適應(yīng)的調(diào)整其發(fā)射功率，避免對授權(quán)用戶造成干擾的前提下，達(dá)到高效的頻譜利用。 認(rèn)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(quán)衡，使得所有的應(yīng)急服務(wù)、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(guān)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(dá)到的要求；雙方經(jīng)協(xié)商后，最后達(dá)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(yīng)急服務(wù)、政府部門、商業(yè)客戶及個體用戶等各種用戶應(yīng)該具有不同的優(yōu)先級。例如應(yīng)該首先考慮警方、消防和醫(yī)療急救等社會緊急事務(wù)，把他們的優(yōu)先級設(shè)定為最高。現(xiàn)有的頻譜分配特征確定了默認(rèn)的頻譜使用優(yōu)先級。通過頻譜管理者的授權(quán)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(wù)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(luò)和用戶的響應(yīng)。RKRL可能會有助于更好地提高該過程的自動化。 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)協(xié)議為使系統(tǒng)協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)得以簡化，做出以下假設(shè)：1） 系統(tǒng)工作頻段為VHF/UHF頻段，且此頻段內(nèi)授權(quán)用戶工作的持續(xù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)檢測授權(quán)用戶所需要的時間；2） 授權(quán)用戶的服務(wù)區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域，因此授權(quán)用戶發(fā)射的信號在本系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域以內(nèi)可以近似認(rèn)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(quán)用戶的檢測具有相當(dāng)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(luò)的特征，參考OSI的經(jīng)典7層協(xié)議模型和TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)，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(diào)制/解調(diào)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(dāng)用戶在授權(quán)頻段上工作時檢測授權(quán)用戶的出現(xiàn)，并將檢測結(jié)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(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的頻譜共享，也包括認(rèn)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(fù)責(zé)通信鏈路的建立、維護、切換、釋放等相關(guān)操作，并向網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的服務(wù)，屏蔽底層不同的MAC方法。3） 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括路由發(fā)現(xiàn)、分組傳輸和網(wǎng)絡(luò)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?。由于CR網(wǎng)絡(luò)中頻譜在時間和空間上的間斷性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點間的連接性與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(quán)用戶的出現(xiàn)而中斷連接。因此，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計面臨傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所沒有的挑戰(zhàn)。4） 傳輸層傳輸層的主要功能是向應(yīng)用層提供可靠的端到端的服務(wù)，使上層與通信子網(wǎng)（下三層的細(xì)節(jié)）相隔離，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的特性來高效的利用網(wǎng)絡(luò)資源。由于CR設(shè)備可能在通信過程中使用多個信道的特性，導(dǎo)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(dǎo)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(luò)需要設(shè)計新的傳輸層協(xié)議來解決這些問題。5） 應(yīng)用層應(yīng)用層向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)。可根據(jù)用戶的需要提供各具特色的應(yīng)用層服務(wù)。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(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、路由層、介質(zhì)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(rèn)知用戶在頻譜切換時性能下降達(dá)到最小的問題。由于CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(quán)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(quán)用戶信號的檢測器，準(zhǔn)確的檢測頻譜空穴信息和授權(quán)用戶的出現(xiàn)。同時能夠接收上層信息，調(diào)整其工作參數(shù)。為了滿足CR技術(shù)的特點要求，物理層的設(shè)計包括可擴展性的調(diào)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(diào)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(shù)等以適應(yīng)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(luò)（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(diào)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(quán)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(guān)過程。根據(jù)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[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(yīng)急網(wǎng)絡(luò)。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(yīng)。除了要求它能提供傳統(tǒng)的MAC服務(wù)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(quán)用戶共存、授權(quán)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(zhì)接入方式是時分復(fù)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(wù)。當(dāng)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(biāo)識每個信道來確定是否有授權(quán)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(quán)、注冊等一系列操作。最后得到中心分配的業(yè)務(wù)信道，在業(yè)務(wù)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(shè)備的運行不會對授權(quán)用戶造成干擾。中心指導(dǎo)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(yīng)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(yīng)的，中心根據(jù)合作算法將檢測任務(wù)分配給各個CR終端，然后匯集各檢測結(jié)果形成頻譜占用圖，同時中心對結(jié)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(quán)用戶不受干擾，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(diào)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(dāng)CR終端密度較大時，可提高無線環(huán)境信息準(zhǔn)確度，但增加了功率控制算法的復(fù)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(dá)到目標(biāo)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(guān)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(rèn)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(rèn)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(rèn)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(rèn)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(yīng)消息。這里假設(shè)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(rèn)消息，被叫終端在收到主叫終端發(fā)來的通信確認(rèn)消息后，發(fā)回確認(rèn)消息，表明通信已經(jīng)準(zhǔn)