认知无线电体系结构Word下载.docx
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认知无线电;
网络架构;
网络协议
英文摘要:
Cognitiveradionetworkshavetheabilitiesofutilizingspectrumdynamically,agilelyandintelligently,andimprovingtheefficiencyofspectrumusage.Consequently,boththeprotocolandarchitecturaldesignsforcognitiveradionetworksisverycrucial.ThenetworkarchitecturesinexistingsystemsincludedcontentsareCORVUSsystemintroducedinAmerica,WirelessRegionalAreaNetwork(WRAN)basedonIEEE802.22aswellasthewirelessMeshnetworksupportingmulti-channelandmulti-interface;
relatednetworkprotocolsareofCORVUSsystem,theXGsystemformilitaryapplications,andWRAN.
英文关键字:
cognitiveradio;
networkarchitecture;
networkprotocol
基金项目:
国家“863”计划(2005AA123910)
随着无线应用的范围不断扩展,频谱资源的稀缺成为无线应用研究领域无法回避的重要问题。
现有无线通信系统分配频谱大多是基于固定分配方式,这种分配方式的频谱利用率极低,不符合日益发展的无线通信的需要。
JosephMitola博士[1]提出的认知无线电技术从频谱再利用的思想出发,能够对频谱资源达到有效利用并保持可靠通信能力。
认知无线电是一个智能无线通信系统[2],它能够感知外界环境,并使用人工智能技术从环境中学习,通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等),使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化,从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对频谱资源的有效利用。
1网络架构
采用认知无线电技术的认知无线电网络,由于其独特的频谱复用性和巨大的覆盖范围,呈现出一些不同于以往传统网络的特点:
∙在多系统共存条件下,分配无线资源。
用户间的链接需要进行有效的控制和管理,同时满足延迟和带宽要求,实现数据传输调度。
在数据传输调度时需要考虑以下几个因素:
与交叠的认知无线电小区的共存、业务流对应的调度业务、业务流的服务质量(QoS)参数值、数据传输的可靠性和所分配的带宽容量。
∙系统应该具有多信道支持能力。
中心控制器在需要情况下应该能够将多个邻近频道进行聚合处理以改善系统性能,支持更多的用户使用并占据更广的覆盖面。
它可以在一些控制帧中指示用户终端哪些信道可以聚合成组以供使用,而用户则可以相应地采用多信道模式工作。
中心控制器要具有能够处理跨越多个子信道的上下行传输能力,并且随着信道数量变化及时调整调度工作。
信道分组使用同时也提高了带宽利用率。
主用户检测程序和分布式感知能力为多信道操作的可行性提供了保证。
∙系统面临共存问题。
共存问题包括两个层次:
一是对主用户系统的干扰问题;
二是对于重叠区、部分重叠区内认知网络实体的共存问题。
为避免对主用户的干扰,分布式频谱感知、测量、检测算法以及频谱管理等认知无线电技术所特有的功能都必须加以考虑。
现实中,作为覆盖范围巨大的多个认知无线电小区之间很有可能会发生部分重叠,最坏情况下甚至完全重叠。
由此引发的自干扰问题如果不能得到解决,将会严重影响认知无线电网络工作。
基于以上的特点,学术界和工业界已经提出了一些适用于认知无线电网络的网络体系架构,其中具有代表性的有如下3个。
1.1CORVUS系统
早在2004年美国加州大学伯克立分校的Brodersen教授领导的研究组就提出了基于认知无线电方式使用虚拟非授权频谱的CORVUS体系结构[3]。
在CORVUS系统中,由多个次用户(SU)组成次用户组(SUG)。
同一个SUG中的节点可以彼此间以Adhoc方式通信,或者通过专用接入节点访问骨干网络(比如Internet)。
不同SUG中的SU是不能直接通信的。
假设在对等SU或者SU与接入点(AP)间只存在单播通信,不支持广播,那么对等SU或SU与AP的通信允许分布式或集中式的组织方式。
CORVUS系统将SU面对的业务流形式主要划分为2种类型:
Web式和Adhoc网络式。
对应于Web式,SU主要工作类似Internet接入,需要一个类似基站或者访问点的存在来提供接入服务,因此会采用集中式控制。
而Adhoc网络式主要工作是节点彼此间进行的通信,采用分布式控制即可。
∙
∙此基础上,加入具有认知无线电特性的功能模块。
∙协议架构设计应结合算法与网络结构设计的成果进行系统性地考虑。
由于认知无线电网络协议的设计与采用的网络结构密切相关,而算法又与所采用的网络结构密切相关,三者之间,相辅相成,互相影响。
因此在网络协议设计过程中,应建立一个初步的框架,然后结合算法设计以及网络结构设计的成果不断修订,最终完成网络协议的设计。
∙协议架构设计应尽可能考虑相容性,即考虑与其他系统之间的共存问题。
由于目前的通信格局是多系统共存,因此在认知无线电协议架构设计时,应充分考虑与其它系统之间的共存问题。
现有认知无线电系统的一些协议体系都是以分层协议栈为基础进行研究的,这种分层和模块化的设计在将新技术融入现有网络技术时具有一定优势。
2.1CORVUS的协议体系
CORVUS的协议结构基于通用的OSI/ISO协议栈结构,如图1所示。
从这个协议栈结构可以看到,主要涉及了物理层与链路层。
在物理层中,与认知无线电技术相关的主要模块包括:
频谱感知、信道估计和数据传输功能模块。
系统内SU间的控制和感知信息是通过两个专用逻辑信道通用控制信道(UCC)和组控制信道(GCC)来实现传送。
UCC是系统唯一的公用控制信道,每个SU预先知道。
每个SUG拥有一个GCC负责交换组内控制和感知信息。
在链路层上,与认知无线电技术相关的主要模块是:
组管理模块,链路管理模块和介质接入控制模块。
∙组管理模块:
CORVUS体系结构假定系统由主用户(PU)和具有认知能力的SU组成,PU是某些频段的合法拥有者,SU在认知无线电技术支持下借用PU暂时未使用频段通信。
多个SU组成SU组,任何一个SU均属于某个组。
系统通过定义的信道全局控制信道用来进行组的管理。
新加入网络的SU加入已存在的某个SUG或者新生成一个组,从UCC处获取所必需的信息。
∙链路管理模块:
该模块负责两个SU之间的通信建立和链路维护。
链路层基于感知信息,信道估计或者用户/法规要求等选择一组子信道用以建立链接。
在物理层感知到有PU意图使用这些信道时,链路层要换到新的信道以免影响PU并维持自身通信。
∙MAC模块:
MAC是认知无线电系统中比较有挑战性的部分。
在多分组多用户系统中,MAC要能够提供多个SU并发接入一个链接的能力,甚至要能够管理多个SU的多个链接并发使用同一子信道。
2.2XG项目的协议体系
美国国防部高级研究计划署(DARPA)资助的XG项目[5]也在积极关注动态使用频谱问题。
XG系统设定普通协议分层模型不需重新修改传统MAC协议,只需适当升级即可,例如传统收发机应用程序接口(API)可加入XG原语集成为XG改进收发机API,如图2所示。
XG范围只包括在物理层和MAC层,网络层及其以上层也不需做改动。
最终系统形式是完全具有XG特性的MAC层和物理层。
但现阶段主要研究内容是图上中间部分示意的系统协议结构,将具有XG特性和功能的层次模块集合进原有通信系统中。
在这样的XG的协议栈中,MAC层增加了XG处理模块,物理层增加了XG控制模块。
XG总体而言是一个MAC层的概念,但其中一些重要部分却分布在物理层。
比如感知,它的收集和对接收信号强度的平均化处理就被设计在物理层进行,这就必须考虑协议的跨层问题。
XG的物理层增加了XG控制功能模块,该模块识别出部分特定帧是具有XG特性的并对其进行相应处理。
XG处理模块利用物理层发送和交换频谱利用信息,与物理网络上的其它成员协调频谱资源分配,这种交互的重要之处在于需要确保选择频率在收方是可用的,在发端也不会造成信号阻塞。
各XG处理模块彼此协调,执行动态频谱共享,限制对主用户的干扰,还产生物理层的状态信息。
XGMAC层上增加的XG处理模块进一步分解为:
机会识别、机会分配、机会使用3个模块:
∙机会识别模块:
决定可用的传输机会集并加上相应的约束条件。
机会集是动态的,随时间变化。
可用的传输机会为XG全部节点的一个子集服务,特别是在目标节点附近一定范围内的节点。
机会识别是一个分布式工作,可能包括感知频谱机会,鉴别可用机会并赋予约束条件(比如时间窗口,最大功率和发射参数),向目标地区分发信息等内容。
∙机会分配模块:
以分布式方式将机会识别模块确定的可用传输机会分配给XG节点。
它使用机会信息和约束条件创建一个动态分配表。
分配表实际上是个分布式的数据库,包含对各个XG节点分配的频率、时间间隔或码字。
分配也是随时间变化的,它可以基于任意介质接入控制方式——载波监听媒体接入/冲突避免(CSMA/CA)、频分多址(FDMA)、TDMA、CDMA,或者几者结合。
∙机会使用模块:
指的是在给定的传输机会上进行通信的物理层机制,它也要负责记录机会使用机制和收发机参数上下限值。
此功能模块的作用就是确保一个数据包在满足约束条件下尽可能快地传送。
存在很多可能的机会使用机制,模块并不限定使用某种特定实现机制。
在分配和识别模块间构造了一个机会API,它是个XG内部的API,作用是清晰分开决定传输机会和使用机会2种功能。
这个API的使用便于对2个模块进行独立细化,在同一个系统框架下分别地采用不同方法执行。
2.3WRAN的协议体系
WRAN的IEEE802.22标准包括物理层和MAC的协议,与IEEE802.16系列中的结构、管理和互联等要求保持一致性。
IEEE802.22协议在物理层上增加了频谱感知功能,通过本地频谱感知技术以及分布式检测等方法,来可靠地感知某时刻、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。
本地检测器利用本地的感知天线对授权用户的信号进行感知,可能的算法包括;
匹配滤波、能量检测以及周期特性检测等。
由于信道的多径衰落、阴影效应以及隐藏节点等问题的出现,从而增加了单个认知无线电用户检测某频段是否存在原始
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- 认知 无线电 体系结构