【文章內(nèi)容簡介】 體，采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在下行方向上，WRAN采用固定的點(diǎn)對多點(diǎn)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(shí)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(jī)制共享上行信道。用戶通過與基站(BS)的空中接口接入核心網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)CPE可支持多個(gè)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(gè)核心網(wǎng)絡(luò)。在CPE與BS之間，系統(tǒng)可通過轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。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(diào)度控制。 支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò) 支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)按Ad hoc方式或者混合網(wǎng)絡(luò)方式布置。如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)或多個(gè)無線電接口(如網(wǎng)卡)，可同時(shí)接入一個(gè)或多個(gè)無線信道，節(jié)點(diǎn)具有感知無線環(huán)境的功能，可以判斷信道的使用情況，選擇相應(yīng)的信道接入。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。 協(xié)議體系如何保證所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)能夠保證正確可靠的數(shù)據(jù)交換，如何保證所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)時(shí)能夠保證與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性，以及如何實(shí)現(xiàn)與其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)據(jù)交換，這都是認(rèn)知無線電協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。 由于認(rèn)知無線電技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、靈活、智能的特點(diǎn)，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(shí)時(shí)的特點(diǎn)，必須能自適應(yīng)于因終端變動(dòng)、無線環(huán)境變動(dòng)而帶來的可用頻譜資源的動(dòng)態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。因此在設(shè)計(jì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，將遵循以下原則：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。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。在具體設(shè)計(jì)過程中，將借鑒已有物理層、MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議層次，在此基礎(chǔ)上，加入具有認(rèn)知無線電特性的功能模塊。協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合算法與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行系統(tǒng)性地考慮。由于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而算法又與所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，三者之間，相輔相成，互相影響。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)。協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮相容性，即考慮與其他系統(tǒng)之間的協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮相容性共存問題。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(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮與其它系統(tǒng)之間的共存問題?，F(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(jì)在將新技術(shù)融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)具有一定優(yōu)勢。 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。從這個(gè)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)可以看到，主要涉及了物理層與鏈路層。在物理層中，與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊包括：頻譜感知、信道估計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。系統(tǒng)內(nèi)SU間的控制和感知信息是通過兩個(gè)專用邏輯信道通用控制信道(UCC)和組控制信道 (GCC)來實(shí)現(xiàn)傳送。UCC是系統(tǒng)唯一的公用控制信道，每個(gè)SU預(yù)先知道。每個(gè)SUG擁有一個(gè)GCC負(fù)責(zé) 交換組內(nèi)控制和感知信息。 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。 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(shí)未使用頻段通信。多個(gè)SU組成SU組，任何一個(gè)SU均屬于某個(gè)組。系統(tǒng)通過定義的信道全局控制信道用來進(jìn)行組的管理。新加入網(wǎng)絡(luò)的SU加入已存在的某個(gè)SUG或者新生成一個(gè)組，從 UCC處獲取所必需的信息。 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 鏈路層公用控制信道MAC鏈路管理組管理組控制信道 物理層數(shù)據(jù)傳輸信道估計(jì)頻譜感知 MAC：媒體接入控制 圖31 CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu) 鏈路管理模塊：該模塊負(fù)責(zé)兩個(gè)SU之間的通信建立和鏈路維護(hù)。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。在物理層感知到有PU意圖使用這些信道時(shí)，鏈路層要換到新的信道以免影響PU并維持自身通信。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。在多分組多用戶系統(tǒng)中，MAC要能夠提供多個(gè)SU并發(fā)接入一個(gè)鏈接的能力，甚至要能夠管理多個(gè)SU的多個(gè)鏈接并發(fā)使用同一子信道。 XG項(xiàng)目的協(xié)議體系美國國防部高級研究計(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。XG系統(tǒng)設(shè)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(dāng)升級即可，例如傳統(tǒng)收發(fā)機(jī)應(yīng)用程序接口(API)可加入XG原語集成為XG改進(jìn)收發(fā)機(jī)API，如圖32所示。XG范圍只包括在物理層和MAC層，網(wǎng)絡(luò)層及其以上層也不需 做改動(dòng)。最終系統(tǒng)形式是完全具有XG特性的MAC層和物理層。但現(xiàn)階段主要研究內(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。在這樣的XG的協(xié)議棧中，MAC層增加了XG處理模塊，物理層增加了XG控制模塊。XG總體而言是一個(gè)MAC層的概念，但其中一些重要部分卻分布在物理層。比如感知，它的收集和對接收信號強(qiáng)度的平 均化處理就被設(shè)計(jì)在物理層進(jìn)行，這就必須考慮協(xié)議的跨層問題。XG的物理層增加了XG控制功能模塊，該模塊識別出部分特定幀是具有XG特性的并對其進(jìn)行相應(yīng)處理。XG處理模塊利用物理層發(fā)送和交換頻譜利用信息，與物理網(wǎng)絡(luò)上的其它成員協(xié) 調(diào)頻譜資源分配，這種交互的重要之處在于需要確保選擇頻率在收方是可用的，在發(fā)端也不會(huì)造成信號阻塞。各XG處理模塊彼此協(xié)調(diào)，執(zhí)行動(dòng)態(tài)頻譜共享，限制對主用戶的干擾， 還產(chǎn)生物理層的狀態(tài)信息。 XG MAC層上增加的XG處理模塊進(jìn)一步分解為：機(jī)會(huì)識別、機(jī)會(huì)分配、機(jī)會(huì)使用3個(gè)模塊：機(jī)會(huì)識別模塊：決定可用的傳輸機(jī)會(huì)集并加上相應(yīng)的約束條件。機(jī)會(huì)集是動(dòng)態(tài)的，隨時(shí)間變化?？捎玫膫鬏敊C(jī)會(huì)為XG全部節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集服務(wù)，特別是在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。機(jī)會(huì)識別是一個(gè)分布式工作，可能包括感知頻譜機(jī)會(huì)，鑒別可用機(jī)會(huì)并賦予約束條件(比如時(shí)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。機(jī)會(huì)分配模塊：以分布式方式將機(jī)會(huì)識別模塊確定的可用傳輸 機(jī)會(huì)分配給XG節(jié)點(diǎn)。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。分配表實(shí)際上是個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫，包含對各個(gè)XG節(jié) 點(diǎn)分配的頻率、時(shí)間間隔或碼字。分配也是隨時(shí)間變化的，它可以基于任意介質(zhì)接入控制方式——載波監(jiān)聽媒體接入/沖突避免(CSMA/CA)、 頻分多址(FDMA)、TDMA、CDMA，或者幾者結(jié)合。機(jī)會(huì)使用模塊：指的是在給定的傳輸機(jī)會(huì)上進(jìn)行通信的物理層機(jī)制，它也要負(fù)責(zé)記錄機(jī)會(huì)使用機(jī)制和收發(fā)機(jī)參數(shù)上下限值。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。存在很多可能的機(jī)會(huì)使用機(jī)制，模塊并不限定使用某種特定實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在分配和識別模塊間構(gòu)造了一個(gè)機(jī)會(huì)API，它是個(gè)XG內(nèi)部的API，作用是清晰分開決定傳輸機(jī)會(huì)和使用機(jī)會(huì)2種功能。這個(gè)API的使用便于對2個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立細(xì)化，在同一個(gè)系統(tǒng)框架下分別地采用不同方法執(zhí)行。 傳輸層 傳輸層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層XG過程XG優(yōu)化 MAC 層繼承MAC層MAC層XG增強(qiáng)XG增強(qiáng)繼承XG 優(yōu)化物理層XG控制 物理層物理層收發(fā)機(jī)API收發(fā)機(jī)API收發(fā)機(jī)APIMAC：媒體接入控制API：應(yīng)用程序接口 圖32: XG協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 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。IEEE 協(xié)議在物理層上增加了頻譜感知功能，通過本地頻譜感知技術(shù)以及分布式檢測等方法，來可靠地感知某時(shí)刻、某地區(qū)的電視頻段中各子信道是否被授權(quán)的電視信號(ATSC、DVB T、DMB T等制式) 占用，使認(rèn)知用戶能夠在對授權(quán)用戶系統(tǒng)不造成干擾的情況下接入空閑的電視頻段，充分利用有限的頻譜資源。本地檢測器利用本地的感知天線對授權(quán)用戶的信號進(jìn)行感知，可能的算法包括；匹配濾波、能量檢測以及周期特性檢測等。由于信道的多徑衰落、陰影效應(yīng)以及隱藏節(jié)點(diǎn)等問題的出現(xiàn)，從而增加了單個(gè)認(rèn)知無線電用戶檢測某頻段是否存在原始用戶的結(jié)果不確定性。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。可能的合并算法包括：“與”、“或”和“K秩”等。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(diǎn)與要求做了相應(yīng)的修改與擴(kuò)展， 并將該MAC協(xié)議成為認(rèn)知MAC協(xié)議。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(shí)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(shí)現(xiàn)頻譜管理。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)。協(xié)議支持單播，多播和廣播服務(wù)，并采用聯(lián)合接入方案以在滿足延遲與帶寬要求的同時(shí)，對用戶間的連接進(jìn)行有效的管理與控制。這主要通過4種不同的上行調(diào)度機(jī)制來完成，而這4種調(diào)度機(jī)制又通過主動(dòng)帶寬獲取、投票選舉和競爭3個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)。IEEE 協(xié)議中提出的參考結(jié)構(gòu)模型如圖33，即由一個(gè)頻譜管理模塊和多個(gè)MAC/物理層模塊構(gòu)成， 而CPE僅由一個(gè)MAC/ 物理層模塊構(gòu)成。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)議的簡單性和可擴(kuò)展性。該模塊負(fù)責(zé)觀察整個(gè)目標(biāo)頻段，并將可用的空閑信道根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)(如每個(gè)模塊連接的終端數(shù)，通信要求，傳輸距離等)分配給各個(gè)MAC/物理層模塊。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。 高層 匯聚層 MAC層 頻譜 管理 MAC層 MAC層... ... 物理層 物理層... ... 物理層 MAC：媒體接入控制 圖33 : IEEE CRN網(wǎng)絡(luò)動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)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。主要有：頻譜檢測管理通過對檢測模式的選取、檢測周期及檢測時(shí)長的 設(shè)置、檢測信道的選取和檢測靜默期的設(shè)置等實(shí)現(xiàn)檢測策略和參數(shù)的選取及優(yōu)化。接入控制主要采用與授權(quán)用戶協(xié)調(diào)接入和透明接入兩種方式避免與授權(quán)用戶的接入產(chǎn)生碰撞。 動(dòng)態(tài)頻譜分配針對二進(jìn)制干擾模型和累積干擾模型進(jìn)行不確定 頻譜資源的優(yōu)化分配。安全機(jī)制通過增加mac幀的認(rèn)證和保密以防御mac層的安全攻擊。跨層設(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)。 CRN中PHY層中的關(guān)鍵技術(shù) （1）寬帶射頻前端技術(shù) 為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調(diào)諧到大頻譜范圍內(nèi)的任意頻帶。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。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