认知无线电网络

null未来无线网络的发展 -认知无线电网络 未来无线网络的发展 -认知无线电网络 昆明理工大学信自学院通信系 彭艺一、无线电技术的概念及发展一、无线电技术的概念及发展传统(硬件)无线电 软件无线电（SDR） 认知无线电（智能无线电CR）1.1 传统无线电(硬件无线电HR)1.1 传统无线电(硬件无线电HR)在硬件中执行所有的无线电功能，任何功能变化都要求用物理手段实现。所有无线电都能够进行调谐以选取特定(有限制的)频率范围，而改变这种调谐需要一定时间。传统上，在无线电硬件中定义了这些调谐特性，目的是使这些特性可编程化。 1.2 软件无线电(SDR)1.2 软件无线电(SDR)软件无线电(Software Defined Radio)是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制。它的核心是：将宽带 A／D和D／A变换器尽可能地靠近天线，而电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，对于无线通信功能尽可能用软件来实现。这样，无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便，这很可能使软件无线电成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破。 软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。 null第三代移动通信系统中的软件无线电技术第三代移动通信系统中的软件无线电技术在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中，最核心的问题是提供不同环境下的多媒体业务及实现包含水、陆、空的全球覆盖。因而它要求实现多种网络的综合：无线网与有线网的综合，移动网与固定网的综合，陆地网与卫星网的综合。这样可以提供全球无缝覆盖，为用户提供在无线与有线环境下统一的业务使用方式，又适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，便于平滑升级。对于通信终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端（手机）。 3G中的终端问题3G中的终端问题第三代移动通信系统可支持的速率为室内静止2Mbit／s，步行移动384kbit／s，车速移动144kbit／s，卫星移动9.6kbit／s，所以手机要适应宽带多业务的要求。软件无线电为通信系统提供一种新型的结构，那就是利用统一的硬件平台，不同的软件来实现不同的功能。只有软件无线电技术才能解决多频多模式多业务终端问题 。 3G中的软件无线电应用3G中的软件无线电应用 具体地讲，软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用体现在以下几个方面： （1）为第三代移动通信手机与基站提供了一个开放的、模块化的系统结构； （2）智能天线结构的实现，空间特征矢量包括DOA（来波方向估计）的获得、每射频通道权重的计算和天线波束赋形； （3）各种信号处理软件的实现，包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件算法等。 null软件无线电技术是当今计算技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通信中应用的产物。它在我国提出的第三代移动通信系统TD--SCDMA中，应用就更广泛了。 SCDMA系统的基站和终端都采用了高速数字处理器和高速A／D变换器，处理速度高于每秒5千万次，全部基带信号处理和变换都用软件来完成。在SCDMA中软件无线电将实现如下功能： （1）提供一个开放的模块化的系统结构； （2）智能无线的实现； （3）同步 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 、建立和保持； null（4）用户终端D－QPSK（差分正交移相键控）解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪； （5）每码道功率的检测和发射功率控制的实现； （6）接收通道的电平检测和接收增益控制； （7）扩频调制和解调，包括WAtsH（沃什）码和PN（伪随机）码的产生； （8）语音编译码； （9）DTMF（双音多频）、MFC（多频编码）及各种信号的产生和检测； （10）信道编码、复接和分接； （11）发射脉冲成形滤波； （12）SWAP（交换）信令的差错检测； （13）接收信令的差错检测； （14）发射通道的数字预失真； （15）基站收发信机的校准。 3G手机3G手机 广州、北京、上海、沈阳、深圳、秦皇岛、厦门等主要8个奥运城市于2008年8月开卖TD-SCDMA手机，正式拉开中国3G应用的序幕 。 “视频通话”“手机电视”和“高速无线上网”成为3G特色业务 。null作为中国首批商用 3G手机，三星 SGH-L288 不仅标志了中国3G 时代的来临 ,更树立了 SAMSUNG Anycall 在3G 终端市场的领导地位。 3G 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 3G标准目前，主流的3G技术有三种制式： 分别为 WCDMA（联通） CDMA2000（电信） TD-SCDMA（移动）。CR技术出现背景CR技术出现背景（1）终端动态选择信道的需求 今天，采用同一个无线电，你不能同时利用2.4GHz和5GHz的WLAN信号，除非你实现两个单独的无线路径来处理各自的波形。假设SDR技术将在今后几年内解决这一问题，则下一个技术难点就是找到一个能动态接收或自动发射不同类型波形的SDR解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，使它能自适应于本地环境并搜索可用于通信的开放频率。为此，认知（感知）无线电成为学术及研发界的重要课题。（2）频谱资源的紧张 Static licensing :（2）频谱资源的紧张 Static licensing :A new approach to spectrum licensing is needed 1.3 认知无线电(CR) 1.3 认知无线电(CR)认知无线电也被称为智能无线电。从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。nullTerm coined by Mitola in 1999 Mitola’s definition: Software radio that is aware of its environment and its capabilities Alters its physical layer behavior Capable of following complex adaptation strategies “A radio or system that senses, and is aware of, its operational environment and can dynamically and autonomously adjust its radio operating parameters accordingly” Learns from previous experiences Deals with situations not planned at the initial time of design1.4 CR技术的基本概念自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义，其中比较有代表性的包括FCC 和著名学者Simon Haykin教授的定义。 FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”。 1.4 CR技术的基本概念CR定义CR定义Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。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，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。 nullBasic Non-Cognitive Radio Architecture: Cognitive Radio architecture: ArchitecturenullCR应该具备以下2个主要特征： 　　 (1) 认知能力 　　 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(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。这一任务通常采用图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监测可用频段，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。 　　 CR 特征nullnull        (2) 重构能力 　　 重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程，从而允许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。 　　 重构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被LU使用，CR有2种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对LU的有害干扰。                                                         null认知无线电与软件无线电之间的关系 　　 为了便于理解CR的基本原理，有必要将CR与软件无线电(SDR)进行区分。根据电子与电气工程师协会(IEEE)的定义，一个无线电设备可以称为SDR的基本前提是：部分或者全部基带或RF信号处理通过使用数字信号处理软件完成；这些软件可以在出厂后修改。 　　因此，SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式；而CR是指无线系统能够感知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数。从这个意义上讲，CR是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。null 一般来说认知无线电系统必须具备以下基本功能：     (1)对无线环境的场景分析，包括空间电磁环境中干扰温度的估计和频谱空穴的检测。     (2)信道状态估计及其容量预测，主要有信道状态信息的估计、信道容量的预测。     (3)功率控制和动态频谱 管理 档案管理制度成本管理项目成本管理财务成本管理档案管理制度及流程 。null当前，认知无线电技术已经得到了各界的关注，很多著名学者和机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如德国高校提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校研究组开发的COVUS系统、美国Georgia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、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议等领域取得了一些成果。 IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会交流这方面的成果。目前，最引人关注的是IEEE802.22工作组的工作，该工作组正在制订利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。 CR当前的发展与标准null2004年10月，IEEE正式成立IEEE802.22工作组，IEEE802.22别名称为“Wireless Regional Area Network(WRAN，无线区域网络)”。该工作组的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带(北美为54MHz～862MHz)的频率用作宽带访问线路。这是继2002年实现民用的“UWB”之后又一全新的无线频率应用技术！ IEEE802.22将要制定的是无线通信的物理层与MAC层规格。所设想的数据通信频率为数Mbit/秒～数十Mbit/秒。电视转播所用的频率由于是比过去的无线LAN更低的频带，因此基站设备可覆盖的范围很大，半径超过40km。如果此目标得以实现，总计300MHz～400MHz的频带将可用于室外宽带通信。 nullFrequency Agility – ability of a radio to change its operating frequency, combined with ability to dynamically select appropriate operating frequency based on, for example, sensing of signals from other transmitters (DFS) Transmit Power Control –transmission at allowable limits when necessary but reducing transmit power to allow greater sharing of spectrum when higher power operation is not necessary Spectrum Sharing Mechanism – enabling sharing of spectrum under terms of an agreement between licensee and a third partyCognitive Radio Capabilitiesnull Adaptive Modulation – modifying transmission characteristics and waveforms to exploit opportunities to use spectrum Location Determination – ability to determine its location and location of other transmitters, then select the appropriate operating parameters (e.g. power, frequency) allowed at its location Security Features - incorporated to permit only authorized use and prevent unauthorized modifications Cognitive Radio Capabilities (cont’d)nullImprove Access to Spectrum without causing interference => more spectrum Exploit frequency and geography (frequency re-use) now Exploit Time in the near future Exploit Spatial (e.g., Smart Antennas) in the farther future Can Assess Signal Environment Spectrum estimation and Beacon processing ID Signal Formats Location Aware Reconfigurability Adapt Modulation/Coding Power Control Frequency Agility nullIt knows where it is It knows what services are available, for example, it can identify then use empty spectrum to communicate more efficiently It knows what services interest the user, and knows how to find them It knows the current degree of needs and future likelihood of needs of its user Learns and recognizes usage patterns from the user Applies “Model Based Reasoning” about user needs, local content, environmental contextnullLNAA/DSensing Radio Wideband Antenna, PA and LNA High speed A/D & D/A, moderate resolution Simultaneous Tx & Rx Scalable for MIMOPhysical Layer OFDM transmission Spectrum monitoring Dynamic frequency selection, modulation, power control Analog impairments compensationMAC Layer Optimize transmission parameters Adapt rates through feedback Negotiate or opportunistically use resources RF/Analog Front-endDigital BasebandMAC Layer 基于RKRL语言和SDR平台的认知无线电 基于RKRL语言和SDR平台的认知无线电     软件无线电(SDR)是一种多波段多模式个人通信系统平台，其通过射频带宽、空气介面、协议、空间和实时模式的灵活变化来缓解无线频谱的紧缺状况。 认知无线电通过在无线域建模来扩展软件无线电的功能，通过无线知识描述语言(RKRL)来加强个人服务的灵活性。RKRL描述的内容包括了无线方式、设备、软件模块、传输、网络、用户需求和根据用户的需求而自动配置的应用方式。RKRL语言可以在软件无线电平台上实现，这样的平台将无线节点从仅仅执行事先确定好的协议转变成无线域的智能代理，实现了原先固定功能和通信模式的系统转变成为智能通信系统的变革。null通过RKRL，认知无线电系统知道高级语言配置均衡器接口和接口线路延迟结构的具体参数。均衡器接口和接口线路延迟结构采用特定应用集成电路(ASIC)、现场可编程阵列(FPGA)或者某种软件无线电算法实现。认知无线电有自己的内部构架模型，如图7所示，能够通过相应的模式解决出现的问题。nullnull软件无线电平台硬件包括天线、无线射频转换模块、调制解调器和图7中所示基带处理器、用户接口等硬件模块。基带处理器包括基带调制解调器和一个终端控制协议栈，此外还包括一个感知装置和一个算法模块。算法模块包含用来描述无线电本身的RKRL结构、均衡器以及其中的所有的本体，用RKRL来写，即以软件来替代硬件功能。     实现上述功能，高端内存、计算算法和通信的带宽对认知无线电都是必需的。根据外部环境变化调整通信系统的配置不会花很长的时间，一般认知无线电也不需要人来干涉它的工作过程。如果要对认知无线电进行干涉，主要目的也是为了保证无线电网络的稳定性。很显然，这种认知无线电网络是复杂的自适应系统，具有适应外界环境变化的能力。 null 无线电表述语言     除了自然语言，还有几种计算机语言能够表达相关的无线电知识。但是，大多数的无线电语言如规范描述语言(SDL)、统一建模语言(UML)、接口定义语言(IDL)等都是用于描述的计算机语言，缺乏准确性和灵活性。     在认知无线电的研究中，如何表达外部世界的信息始终是一个重要的研究课题。RKRL是瑞典皇家科学院(KTH)专为认知无线电开发的一套语言，是用来描述整个事件知识、 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 和需求的语言。它所包括的知识问询和操作语言(KQML)就是为了使内部知识的交换变得更加方便。使用KQML，移动节点和网络可以分享预期频谱需求的计划，可以有效地识别和租用频谱。nullRKRL提供了一种标准的能够对随机的数据交换进行动态定义的语言。RKRL的每个部分根据规则的模式和描述语言的基础来构成，其能力来自于感知循环中的模式匹配、计划产生能力，由相关的推理引擎来调整。RKRL包括语法和本体信息。RKRL涉及的范围包括规则的模式、语言定义、推论模式、多语法和无线的本体。     RKRL是一种并行对象语言，通过基于模式的推理综合了各种语言的特点。通过RKRL这种标准语言，可动态定义认知无线电系统突发的数据变换，其代理可以快速地通过操作相关协议使无线规则更好地满足用户需求，增强了系统的灵活性和反应能力。null 认知无线电规则     既然认知无线电能够主动自由地选择射频信道、空中接口、协议架构以及为了和其他用户竞争的服务价格，从某些方面来说它和棋类游戏是类似的。网络可以协调这种游戏规则，许多研究人员采用博弈论来进行信道频谱分配和功率控制，未来在一些频段认知无线电系统可以完全和其他系统竞争达到无线电资源均衡利用。进行这个游戏的平台是无线射频频段的各种无线频谱、空中接口、智能天线、实时模式以及基础设施和手机等，RKRL提供了描述这种游戏平台的语言，能很好的表述这个游戏的平台和合法使用认知无线电。null 认知循环     认知无线电是建立在软件无线电平台之上的一个智能无线通信系统，它能够感知外部环境、使用边了解边累积的方法对外部环境进行学习，并根据外部环境提供的激励，对运行参数(如传输功率、载波频率、调制方式等)进行相应的修改，从而达到内部状态的自适应调整。其主要目的就是提高无线通信的可靠性和提高无线频谱资源的使用效率。nullnull认知无线电系统感知学习循环的完整过程如图8所示。图8中，外部世界提供激励，认知无线电对这些激励进行处理和分析，从而提取有益于提高其系统性能的相关信息。比如，它可以通过分析全球定位系统参数，或者加上亮度以及温度决定通信环境是在室内还是室外等等。这种处理发生在认知循环的观察阶段，对引入和发出的信息进行分析来获得容量情况，包括分配给用户或是用户所需要提供的容量。有时候这需要必要的前后相关信息来推测通信的突发性以及相关的内在通信任务。基于上述信息，认知无线电系统进行通信资源的规划分配，做出决策，启动接入控制过程，开始通信，并基于信息和学习规则调整通信系统状态以达到最优性能，然后再开始下一轮感知(观察)，这是一个循环过程。null 认知无线电礼仪     认知无线电能进行有序地工作是因为它有一整套来规范行为的无线电礼仪规则，这是一组由射频频段、空中接口、协议、空时模型以及为缓解频谱使用紧张而制订的高层协商规则所组成的规范模式。频谱租用程序、用户优先级策略和无线电知识描述语言等都为频谱的统筹规范使用提供了保障，为实现认知无线电的频谱共享提供规范。认知无线电礼仪协议在频谱有效和混乱之间进行权衡，使得所有的应急服务、政府、个人和商业用户可以主动或被动地共享该协议的成果。二、认知无线电网络（CRN）二、认知无线电网络（CRN）null 无线认知网络     随着认知无线电的发展和深入研究，Motorola及Virginia Tech等公司提出了无线认知网络（认知无线电网络）的概念，他们认为无线认知网络是一种具有认知能力的网络，能够感知网络当前的状况，并根据当前的状况来计划、决定并行动，也就是说可以自我配置来响应和动态自适应操作和环境的改变。自我配置的主要功能组成是自我意识和自动学习，通过具有网络意识的中间件和网络各组成部分分布式交叉来实现。无线认知网络能最大化操作者的能力。认知无线电作为节点构成智能的认知无线网络，是网络的核心。2.1 特点2.1 特点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。 null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。null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。 2.2 目前提出的具有代表性的CRN体系结构2.2 目前提出的具有代表性的CRN体系结构 认知无线电是一个智能无线通信系统，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，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化。 基于CR技术的认知无线电网络具有动态、灵活、智能地使用频谱资源，提高频谱利用率的特点，其网络结构和协议体系的设计是实现上述网络功能的关键。现有基于认知无线电技术的网络架构主要有美国的CORVUS系统，基于IEEE 802.22的无线区域网(WRAN)和支持多信道多接口的无线Mesh网络；协议体系有CORVUS协议体系，军用的XG系统协议及WRAN协议等。null1 CORVUS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。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Ad hoc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Ad hoc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Ad hoc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。 nullCORVUS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。 nullnull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 无线区域网2 无线区域网 　　基于IEEE 802.22标准的无线区域网(WRAN)使用未使用的电视广播信道，在对电视信道不产生干扰的前提下，为农村地区、边远地区和低人口密度且通信服务质量差的市场提供类似于在城区或郊区使用的宽带接入技术的通信性能。 　　在WRAN的系统中，基站和用户预定设备是主要实体，转发器是可选的实体，采用集中式的网络结构。在下行方向上，WRAN采用固定的点对多点星型结构，其信息传播方式为广播方式；在上行方向上，WRAN向用户提供有效的多址接入，采取按需多址(DAMA)和时分多地(TDMA)，即各用户场地设备(CPE)以传输需求为基础，根据DAMA和TDMA机制共享上行信道。用户通过与基站(BS)的空中接口接入核心网络，一个CPE可支持多个传输数据、语音和视频的用户网络的接入，通过BS可接入到多个核心网络。在CPE与BS之间，系统可通过转发器进行转发。在任何情况下，BS提供集中式的控制，包括功率管理、频率管理和调度控制。 null                                                                                       　　 　WRAN的协议体系 　　WRAN的IEEE 802.22标准包括物理层和MAC的协议，与IEEE 802.16系列中的结构、管理和互联等要求保持一致性。 nullIEEE 802.22协议中提出的参考结构模型如图3，即由一个频谱管理模块和多个MAC/物理层模块构成，而CPE仅由一个MAC/物理层模块构成。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/物理层模块。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。 null3 支持多信道多接口的无线Mesh网络 　　支持多信道多接口的无线Mesh网络按Ad hoc方式或者混合网络方式布置。如果网络中节点具有一个或多个无线电接口(如网卡)，可同时接入一个或多个无线信道，节点具有感知无线环境的功能，可以判断信道的使用情况，选择相应的信道接入。正是因为节点的这一特点，使得这类网络结构设计和布置与传统网络有很大不同。 null                                                             混合结构无线Mesh网络 null4 XG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。 nullnullXG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。 　　XG MAC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。 null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。 CRN协议体系结构设计思想CRN协议体系结构设计思想如何保证所设计的协议体系结构能够保证正确可靠的数据交换，如何保证所设计的协议体系结构在实现时能够保证与协议标准的一致性，以及如何实现与其他协议标准之间的数据交换，这都是认知无线电协议体系结构设计中必须考虑的问题。 由于认知无线电技术具有动态、灵活、智能的特点，因而对网络协议的要求也比较高，要求协议具有异步、实时的特点，必须能自适应于因终端变动、无线环境变动而带来的可用频谱资源的动态变化、网络拓扑结构的改变。因此在设计认知无线电网络协议时，将遵循以下原则： 协议设计应充分反映认知无线电技术的特征。常用通信协议体系结构都采用分层结构，在对认知无线电网络进行设计时，将主要考虑物理层、媒体接入控制(MAC)层以及网络层。在具体设计过程中，将借鉴已有物理层、MAC层与网络层的协议层次，在此基础上，加入具有认知无线电特性的功能模块。 null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。 2.3 CRN网络结构及动态接入2.3 CRN网络结构及动态接入CRN网络动态接入CRN网络动态接入为达到在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用，认知无线电网络的媒体接入控制(mac)层不仅需要提供传统的服务, 还要求能支持一套全新的功能。主要有： 频谱检测管理通过对检测模式的选取、检测周期及检测时长的设置、检测信道的选取和检测静默期的设置等实现检测策略和参数的选取及优化。 接入控制主要采用与授权用户协调接入和透明接入两种方式避免与授权用户的接入产生碰撞。 动态频谱分配针对二进制干扰模型和累积干扰模型进行不确定频谱资源的优化分配。 安全机制通过增加mac帧的认证和保密以防御mac层的安全攻击。 跨层设计结合物理层和网络层、传输层等上层信息设计和实现全局优化的mac层技术。 Cellular NetworksCellular NetworksCellular NetworksCellular NetworksMSC: Mobile Switching Center How do different mobile stations communicate simultaneously with the BS?Frequency Division Multiple Access (FDMA)Frequency Division Multiple Access (FDMA) Each mobile device tunes to a frequency band Analogous to people talking in different roomsFrequency Division Multiple Access (FDMA)Frequency Division Multiple Access (FDMA)Time Division Multiple Access (TDMA)Time Division Multiple Access (TDMA) Each mobile device transmits data in a different time slot Analogous to people talking one by one GSM: Combination of FDMA and TDMA 25 MHz bandwidth divided into 124 carrier frequencies of 200 KHz bandwidth Each carrier frequency divided into 8 time slots using TDMA 3G licenses: Type-A: 40 MHz, Turkcell Type-B: 35 MHz, Vodafone Type-C: 30 MHz, Avea Time Division Multiple Access (TDMA)Time Division Multiple Access (TDMA)Code Division Multiple Access (CDMA)Code Division Multiple Access (CDMA) Analogous to people talking in different languagesDynamic Spectrum Access (DSA)Dynamic Spectrum Access (DSA) PROBLEM : Underutilized spectrum resources due to fixed assignment strategy IDEA : Utilizing “white spaces” in the spectrum without disturbing licensed users CHALLENGE : Sensing the environment, detecting “white spaces” “white spaces” frequently change by time and space Changing radio parameters on the fly Frequency Allocation ChartsFrequency Allocation ChartsIn Turkey: http://www.tk.gov.tr/Duzenlemeler/teknik/marfl/_marfl1.asp White Space ConceptWhite Space ConceptCognitive Radio (CR) ConceptCognitive Radio (CR) Concept Initially proposed by Mitola Next step evolution of Software Defined Radio (SDR) Cognitive Radio (CR): Intelligent devices that can ： Sense and autonomously reason about their environment Adapt their communication parameters accordingly Realize DSA conceptTerminology（术语）Terminology（术语）Primary User (PU): Licensed user Has exclusive rights for the spectrum Secondary User (SU): Unlicensed user Opportunistically utilizes the white spaces Has to vacate the spectrum band as soon as a PU appears Also called cognitive userNetwork ArchitectureNetwork ArchitectureResearch ProblemResearch ProblemtotalNetworkUtility: Total number of SU’s that are satisfied in terms of throughput Maximize (totalNetworkUtility) subject to No interference is imposed on the PU’s Reliable communication with the CBS is achieved No collisions occur among the SU’sCRN中PHY层中的关键技术CRN中PHY层中的关键技术（1）宽带射频前端技术 　　为了提供宽带频谱感知能力，CR的射频前端必需能够调谐到大频谱范围内的任意频带。通用的宽带射频前端结构如图3所示，接收的信号通过放大、混频和A/D转换等步骤后送入基带处理，进行频谱感知或数据检测。其中，射频滤波器通过通带滤波选择所需要的频段的接收信号;低噪放大器(LNA)在放大所需信号的同时最小化噪声;锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)和混频器联合控制，将所需要的接收信号转换到基带或者中频处理;信道选择滤波器用于选择所需的信道并抑制邻道干扰;自动增益控制(AGC)维持很宽的动态范围内的输入信号经放大器的输出功率恒定。 　null　针对CR应用，宽带射频前端面临的主要难题是射频前端需要在大的动态范围内检测弱信号。为此，需要采样速率高达几吉赫兹的高速A/D转换器，并且要求超过12比特的高分辨率为了降低这一需求，可以考虑通过陷波滤波器滤出强信号，降低信号的动态范围;或采用智能天线技术，通过空域滤波来实现强信号滤出。 （2）频谱感知技术（2）频谱感知技术　频谱感知技术是CR应用的基础和前提。现有的频谱感知技术可分类为： 单节点感知-- 是指单个CR节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性标识；单节点感知技术包括匹配滤波、能量检测和周期特性检测3种，由于这些方法各有优缺点，实际应用时通常结合使用。 协同感知 -- 则是通过数据融合，基于多个节点的感知结果将进行综合判决。协同频谱感知的另一个优点是可以有效的消除阴影效应的影响。协同感知可以采用集中或者分布式的方式进行。集中式协同感知是指各个感知节点将本地感知结果送到基站(BS)或接入点(AP)统一进行数据融合，做出决策;分布式协同感知则是指个节点间相互交换感知信息，各个节点独自决策。 干扰温度感知 ---随着FCC引入干扰温度模型来测量干扰，也有人提出通过测量干扰温度进行频谱感知，但这种方法通常要求CR节点知道授权用户的位置，目前尚面临很多问题。 　（3）数据传输技术（3）数据传输技术　　数据传输技术对于CR实现利用空闲频谱进行通信，从而整体上提高频谱利用率的主要目标非常关键。由于CR可用频谱可能位于很宽的频带范围，并且不连续，因此CR数据传输技术必需能够适应可用频谱的这一特性。 　　目前，实现频谱自适应CR数据传输有2个基本途径：采用多载波技术或采用基带信号发射波形设计。 在多载波传输技术中，正交频分复用(OFDM)是最佳候选技术。其基本思想是将可用整个频带划分成OFDM子载波，只利用没有被授权用户占用的子载波传输数据，构成所谓的非连续OFDM(NC-OFDM)。子载波的分配则通过频谱感知和判决的结果，以分配矢量的方式实现。例如，在进行OFDM调制时，可以将已被授权用户占用的子载波置零，从而避免对授权用户产生干扰。同时，考虑到频谱渗漏的问题，还有必要留出足够的保护子载波。同时，由于很多子载波并没有使用，可以通过一些快速傅立叶变换(FFT)修剪算法降低系统实现的复杂度。OFDM技术的重要优点是实现灵活，但也面临同步、信道估计以及高峰平比的问题。 CRN中MAC层中的关键技术CRN中MAC层中的关键技术为实现CR用户利用频谱空穴的同时避免对授权用户造成有害干扰，要求CR网络的媒体接入控制(MAC)层不仅提供传统的服务，如媒体接入控制和健壮的数据传输，还能支持一套全新的功能，即在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用。 这些新的功能体现在MAC层的频谱检测管理、接入控制、动态频谱分配、安全机制及跨层设计等各个方面 。null频谱检测管理通过对检测模式的选取、检测周期及检测时长的设置、检测信道的选取和检测静默期的设置等实现检测策略和参数的选取及优化。 接入控制主要采用与授权用户协调接入和透明接入两种方式避免与授权用户的接入产生碰撞。 动态频谱分配针对二进制干扰模型和累积干扰模型进行不确定频谱资源的优化分配。 安全机制通过增加MAC帧的认证和保密以防御MAC层的安全攻击。 跨层设计结合物理层和网络层、传输层等上层信息设计和实现全局优化的MAC层技术。 nullIt’s just a matter of software!Take a rest!