认知无线电CR网络.doc

认知无线电 CR 网络1 认知无线电概述2 认知无线电的关键技术3 WRAN 参考结构和协议体系3.1 WRAN 参考架构3.2 WRAN 协议体系1 认知无线电概述CR是一种智能无线通信系统，它能感知周围环境，运用“理解一构建”的方法学来从周围环境中获取信息，并通过实时改变诸如传输功率、载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化CR的两个最主要目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率CR具备的两大主要特征是认知能力(cognitive Capability)和重配(Reconfigurability)认知能力使CR 能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数这一任务可以由图1所示的认知环进行表示，包括3个主要的步骤:频谱感知、频谱分析和频谱判决频谱感知的主要功能是检测用频段，检测频谱空洞;频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性 ;频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据重配置能力能够不改变任何硬件部分而调整传输功率、载频、调制能发射参数从认知方面看，CR看起来像信号处理和机器学习过程;从重配置方面看， CR看起来像SDR在执行通过认知能力获得的任务。

图 1 CR 的基本任务2 认知无线电的关键技术认知无线电的关键技术主要有:频谱感知、频谱管理、频谱共享和频谱移动性技术等① 频谱检测在认知无线电网络（CRN，Cognitive Radio Network）中，具有认知功能的非授权用户(也称CR用户或认知用户)能自动感知所处的频谱环境，实现对频谱空( 即已分配给合法的授权用户，但未被占用的空闲频段的接入要实现可用频谱的机会接入，首先需要检测频谱确认授权用户是否存在频谱检测是CR最核心的关键技术然而面对无线环境中阴影、多径、衰落、噪声不确定等不利因素的影响，基于微弱授权用户信号的检测是比较困难的而且认知用户与授权用户之间是不存在信息交互的前提，进一步加大了实现准确快速频谱检测的难度现有的频谱检测技术可以分为检测算法和检测机制，检测算法主要研究检测的具体实现，包括发射机检测和接收机检测检测机制主要研究如何最有效的利用检测算法达到认知网络通信性能的最优，包括检测模式、检测周期、检测信道、检测顺序、检测时长等②频谱管理通过频谱感知检测到的频谱空穴可能分散在很宽的频率范围内，它们在空时一频维度上也存在着差异，如具有不同的中心频率、带宽等动态特征，可供使用的时间也可能不同。

认知无线电技术需要在所有可用的频段中判断并选择条件最好的频段分配给最需要的用户，以满足不同用户的各种QoS要求因此，认知无线电需要具备频谱管理的功能，包括频谱分析和频谱判决频谱分析是在频谱感知的基础上，根据频段的干扰程度、路径损耗、信道衰减特性、授权用户的活动规律以及频谱政策等，在一定宽度的空域、时域、频域对频谱空洞特征进行分析刻画在频谱分析的基础上，认知用户根据业务的QoS需求实施频谱判决功能来择最合适的工作频段，还要综合考虑频谱使用的公平性和代价文献[5,6]都提出了频谱管理的协议但是这些基于合作的方法为了共享相邻用户频繁交换的协作信息，需要公共的协调协议和通信链路，必然会增加系统的复杂性和额外开销这对于能量受限的通信系统，如Ad hoc、无线传感器网络等并不适用针对以上问题，文献[7]出了基于设备的频谱管理，其基本思路是用户通过观察本地干扰码型，依据预先设定的适用于不同场景的规则独立决策选择信道，以此来权衡系统的性能、复杂度和通信成本③ 频谱共享频谱共享技术是认知无线电里最重要的技术，机会式频谱利用的核心技术就是频谱共享认知无线电网络的实质就是基于认知无线电技术的频谱共享网络频谱共享的含义既包括主用户与次级用户的频谱共享，也包括次级用户之间的频谱共享。

传统的频谱共享技术，如 IsM2.4GHz频段的开放接入，在提高频谱利用率的同时却增加了干扰，限制了通信系统的容量和灵活性而基于认知无线电的频谱共享技术能够智能地感知无线通信环境，动态检测和有效地利用空闲频谱频谱共享主要包括以下5个步骤：频谱感知、频谱分配、频谱接入发射机一接收机握手协议和频谱移动性目前，实现动态频谱共享主要基于频谱池策略,其将可用频段组成一个频谱池，采用OFDM 技术划分为若干子信道这样，频谱共享就转换成为动态子信道分配的问题次级用户之间的信道分配可采用集中式必和分布式，并取决于动态频谱接入网络中是否存在中心控制实体(如基站)在算法设计上，博弈论、图着色模型以及优化理论是最常用的理论模型而对于次级用户与主用户之间的频谱租借关系，研究者们引入经济学中的代价机制、谈判模型以及拍卖模型等方法对二者之间的协商机制进行分析，实现双方利益最大化④ 频谱的移动性认知无线电的设备能够自适应地改变工作频率，称之为频谱切换每当基于认知无线电的设备能够自适应地改变工作频率，称之为频谱切换每当用户进行频谱切换时，网络协议将会从一种工作模式转为另一种工作模式频谱移动性管理的目的是确保切换过渡时的平稳和快速，以保证用户的性能要求。

由于频谱切换会使通信链接中断，接入新的频段也会有延迟，因此频谱切换会带来链路层延迟另外，其他高层协议如网络层、传输层也会受到频谱切换的影响，从而影响整个系统的性能频谱切换需要相应算法来对其产生的影响进行估计，特别是在次级用户为了提高信道质量而进行切换的情况下，发射机进行频谱切换之后，需要通过握手协议告知接收机，会带来新的通信开销所以，应当在频谱切换带来的信道容量增加和系统性能下降之间达到均衡文献提出了一种多信道机会接入自适应速率协议，来检测质量较好的信道，根据SNR值来决定是否进行切换以及切换到哪个信道频谱切换方案应该融合蜂窝网络切换技术，但可能还会发生不同网络间切换的情况(称之为“纵向切换”)，因此频谱切换方案必须考虑所有涉及的可能3 WRAN 参考结构和协议体系认知无线电架构的一个典型例子就是无线区域网（WRAN） IEEE 802.22工作组是基于认知无线电技术的第一个世界范围的空中接口标准化组织它制定了无线通信物理层与 MAC 层的新规范，目的是为无线区域网利用在 TV 频带中的未使用频谱提供一个标准802.22 系统制定了一种固定的点到多点（P-MP)的无线空中接口，其中一个 BS 管理它自己的单元以及所有相关的消费者前提设备。

除了传统的 BS 的作用（管理单元中的数据传输）之外， 802.22 的 BS扮演一个独特的分布式感知的角色3.1 WRAN 参考架构IEEE802.22 参考框架如图 2，由于可用的 TV 频段是不连续的，所以该框架的一个独特的特性是需要支持获得不连续的 TV 频段，比如，在一个地区的TV 频段中有一些是被 TV 用户占用的，而其他的频段是可以用来做 WRAN 系统使用的，并且 TV 频段的可用性是随着时间变化的所以 WRAN 系统最重要的是要定义一个具有频率捷变功能的 MAC/PHY 空中接口，可以随着时间的改变调整到空闲的 TV 频段，同时保证对 TV 用户正在使用的频段不造成干扰通过采用 CR 技术可以探测到空闲频段同时，MAC/PHY 空中接口需要跟踪多个 TV 频段以便获知哪些频段被 TV 用户占用，哪些频段空闲可以用作WRAN 传输，以及及时的通过动态频率选择来避免对 TV 用户的干扰图 2 802.22 参考协议参考架构中包含了两个新的功能实体来支持在 MAC 和 PHY 层的 CR 功能，分别是频谱检测功能实体(SSF, Spectrum Sensing Function)和地理位置功能实体(Geo-location)。

SSF 实体的作用是应用频谱检测算法，地理位置功能实体用来确定 802.22 设备(BS 和 CPE)的位置3.2 WRAN 协议体系根据 IEEE802.22 草案对 WRAN 参考架构的定义，为了与 TV 信道的授权用户共存，WRAN 系统的 PHY 和 MAC 协议应该允许 BS 根据检测结果，动态调整系统的功率或者工作频率，从而避免对 TV 信道上的授权用户造成干扰现有的 IEEE802.22 草案对空中接口进行了规范，包括 PHY 层与 MAC 层的规范，MAC 层和 PHY 层协议栈对于所有被支持的服务都是相同的根据 IEEE802.22 标准提案，PHY 层可细分为一个会聚子层和一个物理媒体(PMD)子层，PMD 是 PHY 层的主要部分，而会聚子层能自适应映射 MAC 层的特定需要到通用的 PMD 服务，IEEE802.22 协议在 PHY 层增加了频谱检测功能，通过频谱检测技术来可靠地检测某时刻、某地区的电视频段中各子信道是否被授权的电视信号(ATSC、DVB-T、DMB-T 等制式 )占用，使认知用户能够在对授权用户系统不造成干扰的情况下接入空闲的电视频段，充分利用有限的频谱资源。

频谱检测技术也是 WRAN PHY 层最重要的技术，是 CR 应用的基础和前提现有的频谱检测技术可以分为单节点检测和合作检测，单节点检测是指单个 CPE 节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性标识，而合作检测则是通过数据融合，基于多个节点的检测结果进行综合判决MAC 层的协议设计不同于以往的标准，IEEE802.22 根据 WRAN 的特点与要求做了相应的修改与扩展，除了提供媒介接入控制等传统业务能力，还以共存为主要目的，为与授权用户共存和保护授权用户提供了丰富的手段，MAC 协议中不仅引入了使得 WRAN 各覆盖区域相重叠的 BS 能更加有效地共享无线频谱的共存信标协议(CBP，Coexistence Beacon Protocol)，同时在 MAC 层的功能中加入了信道管理和测量功能，这使得 MAC 层在频谱管理上更加灵活和有效WRAN 采取面向连接的通信机制，从而便于提供灵活的 QoS 服务协议支持单播，多播和广播服务，并采用联合接入方案以在满足延迟与带宽要求的同时，对用户间的连接进行有效的管理和控制IEEE802.22 协议中提出的参考结构模型如图 3 所示，即由一个频谱管理模块和多个 MAC/PHY 层模块构成，而 CPE 仅由一个 MAC/PHY 层模块构成。

其中频谱管理模块使得系统能够使用不连续的信道，并同时保持了 MAC 协议的简单性和可扩展性该模块负责观察整个目标频段，并将可用的空闲信道根据一定标准（如每个模块连接的终端数，通信要求，传输距离等)分配给各个MAC/PHY 层模块此外，频谱管理模块还应能够处理不同模块的请求，如因信道质量发生变化导致切换信道，因而需获得可用信道信息的请求图 3 IEEE 802.22 的协议参考模型。