【正文】 要具有能夠接收并解調(diào)主用戶信息的模塊。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。(3)波形感知法波形感知法是在認(rèn)知用戶知道主用戶波形的前提下，根據(jù)先驗(yàn)信息產(chǎn)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(jìn)行相關(guān)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)對19 / 39主用戶的檢測。通過將檢測統(tǒng)計(jì)量與閾值相比較來確定主用戶的狀態(tài)。(4)小波檢測法小波檢測法通常用于較寬頻帶的信號檢測。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。除了以上四種方法之外，還有基于特征值的頻譜感知、基于熵的頻譜感知、基于循環(huán)譜的頻譜感知等方法，應(yīng)該說，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表41所示。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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。頻譜感知方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)能量感知 簡單，成本低 虛報(bào)概率高，無法判斷信號是主用戶還是其他干擾匹配濾波感知 準(zhǔn)確，快速 需要解調(diào)主用戶信號，系統(tǒng)較為復(fù)雜波形感知 可靠性高 需要先驗(yàn)知識(shí)，對系統(tǒng)要求高小波分析感知 適合于寬帶信號 抗干擾能力差 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配與頻譜感知技術(shù)相比，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配技術(shù)所討論的問題更多，涉及的技術(shù)范圍也更廣。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(gè)問題：(1)認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾問題。(2)認(rèn)知用戶之間的干擾問題。(3)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜空穴的最優(yōu)化利用問題。 表 41：常見頻譜感知方法優(yōu)缺點(diǎn)比較頻譜分配技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 合作方式 接入技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)需求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，不同的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在解決以上三個(gè)問題時(shí)采用的頻譜分配技術(shù)也是不相同的。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。 基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的頻譜分配根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，頻譜分配方式可以分為集中式頻譜分配和分布式頻譜分配兩種方式。 所謂集中式頻譜分配，指的是在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)負(fù)責(zé)控制的中心節(jié)點(diǎn)(如基站 )，中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的頻譜感知結(jié)果或者將其他認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果收集匯總后，最終由中心節(jié)點(diǎn)完成對其他節(jié)點(diǎn)的頻譜分配。這種分配方式中，非中心節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)沒有頻率選擇權(quán)。采用分布式頻譜分配的網(wǎng)絡(luò)不存在中心節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)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。 基于合作方式的頻譜分配根據(jù)合作方式的不同，頻譜分配方式可分為合作式和非合作式。所謂合作式頻譜分配，指的是各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采用的頻譜分配策略并不僅僅取決于節(jié)點(diǎn)自身的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和需求，而是同時(shí)考慮了其他節(jié)點(diǎn)的處境。合作式頻譜分配的分配策略致力于尋找在網(wǎng)絡(luò)整體或者局部范圍內(nèi)的最優(yōu)化分配方案，而不是單個(gè)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)化分配方案。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(diǎn)自身的需求而不考慮其他節(jié)點(diǎn)。一般而言，非合作式頻譜分配方案的效率要低于合作式。 基于接入方式的分類根據(jù)接入方式的不同，頻譜分配方式可分為填充式和下勢式。填充式頻譜分配方式是最早提出，也是最經(jīng)典，應(yīng)用最廣的頻譜分配模型，它主要依靠尋找授權(quán)用戶空閑頻率、也就是一般意義上的頻譜空穴來完成。它對于頻譜空閑機(jī)會(huì)的利用是在時(shí)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(shí)域和頻域上存在。下塑式頻譜分配方式允許授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶在相同的時(shí)域和頻域上存在。理論上來講，在認(rèn)知用戶接收機(jī)的性能好于授權(quán)用戶接收機(jī)的情況下，只要嚴(yán)格限制非授權(quán)用戶的接收功率，將其對授權(quán)用戶的干擾限制在噪聲門限之下，認(rèn)知用戶對頻率的使用是不會(huì)影響授權(quán)用戶的。與頻譜感知技術(shù)類似，不同的頻譜分配技術(shù)其優(yōu)缺點(diǎn)也各不相同(表42)。在實(shí)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。分配方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 集中式 控制簡單中心節(jié)點(diǎn)負(fù)載重，網(wǎng)絡(luò)效率低 分布式 頻譜利用率高 控制復(fù)雜 合作式 頻譜利用率高 控制復(fù)雜非合作式 控制簡單 頻譜利用率低，沖突率高 填充式 對授權(quán)用戶干擾小 頻譜利用率低 下墊式 頻譜利用率高 對授權(quán)用戶干擾大 短距離無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和實(shí)例 短距離無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)目前，尚沒有權(quán)威機(jī)構(gòu)對“短距離無線網(wǎng)絡(luò)”這個(gè)概念進(jìn)行定義。筆者認(rèn)為，凡是通信范圍較小(一般在數(shù)米到數(shù)百米)且采用無線電波作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，都可以認(rèn)為是短距離無線網(wǎng)絡(luò)。短距離無線網(wǎng)絡(luò)具有以下的特點(diǎn)：(1)成本控制嚴(yán)格。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)低功耗。由于通信距離較短，且出現(xiàn)障礙物的可能性較低，因此終端的發(fā)射功率和工作功率都較低。(3)對等通信。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(gè)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。 表 42：不同頻譜分配方式的優(yōu)缺點(diǎn) 典型的短距離通信網(wǎng)絡(luò)(1) WiFi (無線保真)準(zhǔn)。其覆蓋范圍大約在100米左右，任何在覆蓋范圍內(nèi)的支持無線局域網(wǎng)的終端都可以在區(qū)域內(nèi)高速接入因特網(wǎng)，理論最高通信速率可達(dá)54Mbps。WiFi技術(shù)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，且安全性較差目前常用于家庭或人流較為集中的場所。(2)藍(lán)牙藍(lán)牙是一個(gè)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。藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)已在高端手機(jī)和一些電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，但存在安全性能較差、芯片成本較高，通信速率較低的缺點(diǎn)。(3) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是以一種能夠自動(dòng)快速組網(wǎng)的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信鏈路實(shí)時(shí)變化的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要任何有線基礎(chǔ)支持，所有節(jié)點(diǎn)均由移動(dòng)主機(jī)構(gòu)成，其覆蓋范圍在數(shù)米到數(shù)公里之間。其移動(dòng)主機(jī)不但需要首發(fā)信息，必要時(shí)還需要承擔(dān)尋找路由和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和研究重點(diǎn) 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)除了具備認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)和短距離無線網(wǎng)絡(luò)兩者的共同特點(diǎn)之外，還應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)。(1)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。在必要的情況下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具備在不需要任何外部硬件措施(如電源、固定基站、計(jì)算機(jī)等)的情況下正常工作的能力。(2)有限的抗打擊能力。網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或者退出，盡可能不影響到網(wǎng)絡(luò)的正常工作。(3)有限的帶寬。由于無線信道自身的物理特征，再加上網(wǎng)絡(luò)本身的QoS要求不高，所以網(wǎng)絡(luò)終端不必獲得更大的帶寬。(4)有限的動(dòng)態(tài)拓?fù)?。根?jù)無線環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化，網(wǎng)絡(luò)自身可以做出有限的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整。 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)23 / 39根據(jù)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合的小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和要求，網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。(1)頻譜感知方式的研究和選擇。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。(2)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式的研究和選擇。網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)形式應(yīng)在滿足簡單、低成本的前提下盡可能的提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和健壯性。(3)通信策略的研究和協(xié)議的制定。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(tái)上工作。 第 5 章 小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)定 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境感知方法 基于單節(jié)點(diǎn)的頻譜檢測方法基于單節(jié)點(diǎn)的發(fā)射機(jī)頻譜檢測技術(shù)是認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一，是構(gòu)成認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知體系的基本元素。只有在單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠較為快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地檢測出主用戶頻率使用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)才能夠做出準(zhǔn)確的決策，建立合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。目前，國內(nèi)外研究較多的發(fā)射機(jī)檢測的頻譜感知方法主要有：匹配濾波器感知檢測、波形感知檢測、能量感知檢測和小波分析感知檢測等。采用能量感知檢測授權(quán)用戶信號的方法。能量檢測法的實(shí)現(xiàn)過程如圖51 所示。將信號x(t) 經(jīng)過一段時(shí)間采樣后,經(jīng)過FFT和窗函數(shù)濾波可得到Y(jié)(f)，將計(jì)算得到的信號能量與閾值λ比較后得到判決結(jié)果。 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(shí)性能惡化嚴(yán)重、感應(yīng)時(shí)間較長等缺點(diǎn)， 但其具有實(shí)現(xiàn)方法簡單、計(jì)算復(fù)雜度低、不需要先驗(yàn)知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)， 特別適用于成本控制嚴(yán)格、架構(gòu)簡單、對QoS 要求不高的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。 協(xié)同感知方法在一個(gè)完整的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，僅僅依靠單個(gè)認(rèn)知用戶自身進(jìn)行頻譜感知是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，單個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜環(huán)境。因此，需要以多用戶協(xié)同感知的方法來獲得更加準(zhǔn)確網(wǎng)絡(luò)頻譜環(huán)境，以便做出正確的決策。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。本課題采用的感知方式融合了集中式控制和分布式控制的特點(diǎn)，由控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜環(huán)境，為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)提供端對端認(rèn)知信道；由認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在通信過程中自行檢測本地頻譜環(huán)境，并在必要時(shí)及時(shí)反饋給控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)判決規(guī)則重新調(diào)整認(rèn)知信道的分配。將這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)議稱之為協(xié)議1。 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議設(shè)計(jì) 協(xié)議層次架構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的層次和功能如圖53 所示。 圖 51：能量檢測過程 圖 52：能量檢測的判決規(guī)則25 / 39由圖53 可以看出，物理層的全部功能和數(shù)據(jù)鏈路層的部分功能已經(jīng)固化到了硬件系統(tǒng)中，只有少數(shù)參數(shù)可以通過軟件進(jìn)行修改。而應(yīng)用層的內(nèi)容主要由用戶在具體環(huán)境中進(jìn)行具體設(shè)置。因此通信協(xié)議設(shè)計(jì)的主要工作集中在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。 控制節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)需要完成的功能包括：接收認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的通信請求、通知目的節(jié)點(diǎn)、尋找最佳頻率、將最佳通信頻率告知源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)、信道惡化時(shí)重新尋找最佳通信頻率并告知。根據(jù)以上要求，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖54所示。 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要完成的基本功能有兩個(gè)：數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。 圖 53：通信協(xié)議的層次和功能 圖 54：控制節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán) (1) 數(shù)據(jù)的發(fā)送。作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)為了實(shí)現(xiàn)在認(rèn)知信道的通信，首先要保持和控制節(jié)點(diǎn)的通信暢通，這樣才能夠獲得最優(yōu)化的決策；其次，節(jié)點(diǎn)需要有感知功能，作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中隨時(shí)監(jiān)測信道質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)信道狀況惡化，該認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要立刻終止數(shù)據(jù)發(fā)送并通知控制節(jié)點(diǎn)，以便迅速獲得新的最佳頻率許可恢復(fù)通信。其實(shí)現(xiàn)過程循環(huán)如圖55所示。(2) 數(shù)據(jù)的接收。根據(jù)上文的數(shù)據(jù)發(fā)送過程， 接收方認(rèn)知節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)這樣設(shè)置：①在預(yù)設(shè)控制信道等待。一旦有通信請求，根據(jù)上文可知該通信請求無論來自哪個(gè)節(jié)點(diǎn)都一定是由基站向目的節(jié)點(diǎn)通知的。②一旦收到控制節(jié)點(diǎn)的通信許可，接收節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的通信。③由于接收節(jié)點(diǎn)不負(fù)責(zé)頻譜感知，因此從接收節(jié)點(diǎn)的角度出發(fā)，一旦通信受阻，無論是何種原因?qū)е拢烧J(rèn)定是信道惡化。此時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)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。 ④一旦通信結(jié)束，接收節(jié)點(diǎn)將重新切換到預(yù)設(shè)控制頻道。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖56 所示。 圖 55：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作循環(huán)27 / 39 其他典型通信協(xié)議架構(gòu)形式圖57 左側(cè)這種網(wǎng)絡(luò)被稱作“ 完全非合作認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)” ，也可以叫做“ 分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)” ，其架構(gòu)思路很簡單，那就是頻譜的感知、決策和數(shù)據(jù)通信完全由節(jié)點(diǎn)自身完成。這種架構(gòu)最大的特點(diǎn)是，作為通信的接收節(jié)點(diǎn)，由于通信之前沒有任何先驗(yàn)信息，因此，接收節(jié)點(diǎn)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。將這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)稱之為協(xié)議2 。圖57右側(cè)這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是，對頻譜的感知和決策由基站完成，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)不需要負(fù)責(zé)。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)只需要在通信時(shí)與基站聯(lián)系，并通過由基站分配的認(rèn)知信道將數(shù)據(jù)傳輸給基站，基站負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)投遞給目的節(jié)點(diǎn)。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(shí)將信道變化通知通信雙方的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)。將這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)稱之為協(xié)議3。所謂數(shù)據(jù)通信過程復(fù)雜度,指的就是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成一次數(shù)據(jù)通信所需要消耗的系統(tǒng)時(shí)間資源和空間資源。一次數(shù)據(jù)通信所發(fā)送的數(shù)據(jù)量比較大，一般而言需要將數(shù)據(jù)拆解為多幀發(fā)送。圖 56：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的工作循環(huán) 圖 57：獨(dú)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(diǎn)對點(diǎn)通信的方式，因此兩者的時(shí)間復(fù)雜度隨著幀數(shù)的變化趨勢是相同的。由于協(xié)議3 的數(shù)據(jù)發(fā)送需要完全依賴基站，故每發(fā)一幀數(shù)據(jù)要比其他兩種通信方式增加近一倍的復(fù)雜度。在數(shù)據(jù)通信方面，協(xié)議1 和協(xié)議2 的方案無疑更加優(yōu)越。在鏈路建立程序算法方面，通過增加一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)分擔(dān)原本由發(fā)送節(jié)點(diǎn)完成的頻譜檢測和鏈路建立的工作，可以極大地增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短鏈路建立時(shí)間。這種改進(jìn)思路與算法設(shè)計(jì)中常用到的“以空間換時(shí)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(diǎn))來降低系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度。而在數(shù)據(jù)通信方面，點(diǎn)對點(diǎn)通信無疑可以節(jié)省更多的復(fù)雜度開銷，而如果將數(shù)據(jù)通信也交由基站轉(zhuǎn)發(fā)，則每一次數(shù)據(jù)