认知无线电MAC层与应用层仿真软件
第一章 认知无线电MAC层与应用层仿真软件1.1技术背景随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。目前的频谱分配制度为固定频谱分配，将频谱分为授权频段(LFB)和非授权频段(UFB)两类。大部分的频谱资源被用作授权频段（如电视广播频段），得到授权频段的团体或个人长期独占该频谱使用权；非授权频段的频谱资源要少的多，一般采用竞争方式接入使用。随着无线通信业务的迅猛发展，非授权频段的业务量已趋于饱和。另一方面，授权频段的频谱资源利用率却非常低，美国联邦通信委员会频谱策略任务工作报告给出的时间和空间上的统计结果表明，各种无线系统的总频谱利用率在10以下。目前的频谱管理存在的主要矛盾在于：频谱使用是动态的，但频谱分配是固定的；频谱是稀有资源，但频谱利用率不高，且存在大量空闲；可分配频谱少，但频谱需求量大。导致这些矛盾的根本原因在于固定分配频谱方案和独占频谱使用权（即业务接入权或频谱准入权）原则，因此，现阶段最实际的办法是改变业务接入权或频谱准入权，以开放频谱使用，提高频谱使用效率和充分利用空闲频谱。认知无线电(Cognitive Radio, CR)技术就是在这样一种背景下出现的。它由J.Mitola博士在1999年提出，被认为是解决当前频谱缺乏现状的一个有效手段。认知无线电提供了一种“机会方式(Opportunistic Way)”共享和利用频谱的手段，可以有效地解决问题。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空穴”并合理利用的能力，所谓“频谱空穴(Spectrum Holes)”就是在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源。认知无线电自出现伊始，就受到国内外的强烈关注。IEEE专门组织了两个重要的国际学术会议IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流认知无线电方面的成果，许多国际期刊如IEEE的重要刊物也都组织了关于认知无线电、动态频谱接入的专辑。此外，对于实验验证系统的开发，目前已有多个实验系统正在开发之中，例如：德国Karlsruhe大学提出的频谱池系统、欧盟的E2R项目和DRiVE/OverDRiVE项目，美国加州大学伯克利分校研究组开发的CORVUS系统、美国乔治亚理工学院宽带和无线网络实验室提出的OCRA项目 、美国军方DARPA的xG项目以及正在标准化的全球首个基于认知无线电技术的无线区域网标准IEEE802.22等。这些系统的开发，能够很好的验证认知无线电的基本理论，推动认知无线电关键技术的发展，并对在认知无线理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议设计等方面技术问题的进一步地完善提供宝贵的研究成果。国内关于认知无线电的研究从2002开始，电子科技大学、北京邮电大学、北京交通大学等多所高校及一些科研机构纷纷投入到该项目的研究中。2005年，国家“863”面向“十一五”快速启动引导课题资助了“认知无线电技术研究”项目，电子科技大学、西安电子科技大学和西安交通大学联合开展了对认知无线电技术的研究并取得了一些成果。2009年初，国家高技术研究发展计划 (863计划) 在信息技术领域设置了 “频谱资源共享无线通信系统”重点项目，北京交通大学和国内的其它一些高校、科研机构及生产厂商都参与到这个项目，电子科技大学等四家单位正在联合研制原型系统。国家863计划“频谱资源共享无线通信系统”重点项目的研究目的，是突破频谱资源共享无线通信系统的关键技术，研究与现有系统共存的宽带无线通信系统；进行频谱资源共享无线通信系统的应用研究，并在698806MHz 频段进行演示验证；建立动态频谱共享系统的测试评估体系和相应的测试方法，并进行系统级关键技术的测试评估。为无线通信多系统的融合与创新发展奠定技术基础，并为我国参与相关技术的国际标准化，特别是参加WRC 2011 提前做好准备。整个项目的研发分为六个课题：课题1为动态频谱资源共享宽带无线通信系统验证网络开发；课题24为支撑动态频谱资源共享的新技术研究；课题5为动态频谱资源共享技术评估与测试研究；课题6为动态频谱资源共享技术标准与应用研究。项目中的子课题5：“动态频谱资源共享技术评估与测试”为上海无线通信研究中心负责，北京交通大学协作研究的课题。本软件平台设计的总体目标是建立动态频谱共享系统MAC层和应用层优化算法的测试评估体系和测试方法，并提供可视化的操作界面，方便用户进行仿真测试，为我国无线通信多系统的融合与创新发展奠定技术基础。1.2 平台设计目的认知无线电MAC层与应用层仿真平台提供用户可自定义的外部参数（各个节点的感知能力；接收信噪比；误警概率、漏警概率；主用户行为等）和所嵌入算法的运行参数接口，用户可以在界面上输入相应的运行参数。在所有的数据输入和外部条件完全一致的情况下，比较不同优化算法在仿真平台的MAC层及应用层上的运行情况，对这些算法的各项性能指标进行比较，评价各种算法在不同仿真环境下的优劣及性能。1.3平台设计环境：GUI操作界面：采用QT4及Eclipse+JDK在Ubuntu下开发MAC层及应用层模块：采用ns-2.31和VC+6.0开发 第二章 MAC层仿真系统设计方案2.1 集中式MAC层仿真平台集中式MAC层平台的基本特点是小区中心有一个固定基站或者叫固定节点，其他移动节点分布在基站周围。中心节点负责各种信息的管理和调度以及通信中转，移动节点可能会负责收集信息、执行指令，也会有自己的通信需求。集中式网络类似与蜂窝网络，就是利用基站控制节点的通信及各种信息。这种网络管理方便，用户节点构造也相对简单且入网灵活。本仿真平台中的集中式MAC层仿真平台的系统模型如下：图 1 集中式MAC层仿真平台系统模型这是一个典型的次用户小区，其中有一个基站节点和五个CR移动节点。如果节点之间想要通信，必须首先向基站节点发送信道请求。在基站返回可用信道之后，使用该信道与目标节点通信。基站定期的根据感知调度算法向周围节点广播感知任务，告知每个节点所要感知的信道。节点在执行信道检测之后，将相应的感知结果返回给基站。基站会集中对信道的可用性进行判决，并根据结果维护可用信道列表，未知信道列表等表项。在下一个感知阶段开始时，根据这些表项重新发送感知任务。如果某节点有通信请求，基站就会通过指令给这个节点指派一个可用信道。从细节上看，集中式MAC层仿真环境必须建立一下几个功能模块：2.1.1基站MAC层模块基站部分MAC主要有三方面的主要功能，即数据传递、信道分配和感知调度。相应地，就有三个功能模块来实现这些功能。图2仿真平台MAC层基站部分功能模块各个模块的具体功能详述如下：l 数据传递模块 ：负责上下层普通数据包和路由等信息的传递与处理。l 信道分配模块 ：负责从感知调度模块中获取可用信道列表。如果通信节点有与其他节点的通信需求并向基站发送信道申请，该模块负责分配可用信道。如果检测到主用户出现，则向正在利用该信道的通信节点重新发送信道分配指令，使通信节点进行信道切换。基站的信道分配模块会从所维护的可用信道列表中选取新的可用信道分配给通信节点节点。l 感知调度模块 ：在一个时隙内，根据特定的感知调度算法算法给每个待检测信道分配检测节点个数和节点ID。2.2.2节点MAC层模块CR节点部分的MAC层平台主要的功能也有三项：数据传送、信道切换和感知信息交互，分别由以下三个功能模块实现，见图3：图 3 检测节点部分功能模块各个模块的具体功能详述如下：l 数据传递模块：负责上下层普通数据包的传递与处理。l 信道切换：同基站进行交互。第一次通信时会向基站发送信道申请，然后进行通信。如果收到基站的信道切换执行，则会向物理层发出信道切换指令，指示做出信道切换动作。l 感知信息交互模块：该模块有两个功能：第一，从基站接收感知调度指令。第二，根据感知调度指令，指示PHY进行实际感知，然后将物理层反馈回来的感知结果告知基站。2.2.3定时器模块在任何一个仿真平台中，定时器模块是必不可少的。在离散事件驱动式仿真器NS2中，它负责在固定的时间之后启动或终止某个事件等。一个很明显的应用定时器的例子就是上文提到的感知任务分发事件。在本平台中，每隔5s，基站的感知任务分发定时器就会启动，向小区内的所有节点广播感知任务，如图4所示：图4 感知任务分发与上交过程当定时器到时，将会启动感知任务分发程序，基站节点使用sendInfoDown函数定时的向各个节点广播各自的感知任务（需感知的信道）。在CR节点接受到任务信道以后，各个节点开始感知目标信道，使用sendInfoUp函数将相应的感知结果返回基站。2.2平台具体实现2.2.1集中式MAC层平台的C+类有了仿真平台的功能描述，我们可以来详细设计MAC仿真平台的C+代码部分。我们针对基站式MAC仿真平台设计了一个C+类，下面是一些主要的函数和变量：class BJTUmac : public Macpublic :BJTUmac();BJTUmac();void sendInfoUp();void sendInfoDown();void sendChanRA();void sendACK();void send();void recv(Packet* p, Handler* h);int UnknownChanAllo(int i); int ChanAllo(int i); double ChanSNRGenerate(); void AvailJudge(int i); int GetChanSNR();protected:BsAckTimer BsAckTimer_;AsAckTimer AsAckTimer_;SensingTimer SensingTimer_;void BsAckTimerHandler();void AsAckTimerHandler();void SensingTimerHandler();int NodeID;int ChanToSense_NODE_NUM; int AvailChanTableCHAN_NUM; int UnknownChanTableCHAN_NUM; int BusyChanTableCHAN_NUM; double ChanSNRCHAN_NUM; private:int First; int mytaskchanid; int chansnr; int SsAckFlag; int CommChan; ;该类是MAC层平台的主类，位于BJTUmac.cc文件中。定时器和其他辅助类在这里就不再赘述。2.2.2模块主要函数和应用样例上一节中所提到的六个功能模块，在这里用多个函数组合实现，其中：数据处理模块：send()函数和Recv()函数信道分配模块：ChanAllo()函数感知调度模块：UnknownChanAllo(),A
