小型认知无线网络通信协议的制定与设计47938.docx

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1、河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY毕业设计说明书书论文题目：小型型认知无线网网络通信协议议的制定与设设计 2013年05月30日摘 要认知无线电网络络具有动态、灵灵活、智能地地使用频谱资资源，提高频频谱利用率的的特点，其网网络结构和协协议体系的设设计是实现上上述网络功能能的关键。现现有基于认知知无线电技术术的网络架构构主要有美国国的CORVVUS系统，基基于IEEEE 802.22的无线线局域网(WWRAN)和和支持多信道道多接口的无无线Meshh网络；协议议体系有COORVUS协协议体系，军军用的XG系系统协议及WWRAN协

2、议议等。提出了一种小型型认知无线网网络的频谱协协同感知方法法，并在此基基础上设计了了一种小型认认知无线网络络的通信协议议。通过协议议程序复杂度度的角度切入入，对该协议议进行了分析析。同其他典典型协议相比比较， 该协协议通过采用用集中式控制制、分布式感感知、点对点点通信的机制制，尽可能地地做到了扬长长避短，使系系统的整体稳稳定性和复杂杂度得到了兼兼顾。关键词 认知无无线电；网络络架构；网络络协议；认知无线网网络；协同感感知；通信协协议；程序复复杂度 AbstraactCognitiive raadio nnetworrks haave thhe abiilitiees of utiliizing

3、 specttrum ddynamiicallyy， agillely aand inntelliigentlly， and improoving the eefficiiency of sppectruum usaage. CConseqquentlly， bothh the protoocol aand arrchiteecturaal dessigns for ccognittive rradio netwoorks iis verry cruucial. The netwoork arrchiteecturees in existting ssystemms inccludedd co

4、nttents are CCORVUSS systtem inntroduuced iin Ameerica， Wireeless Regioonal AArea NNetworrk (WRRAN) bbased on IEEEE 8002.22 as weell ass the wirelless MMesh nnetworrk suppportiing muulti-channnel aand muulti-iinterfface； relaated nnetworrk prootocolls aree of CCORVUSS systtem， the XG syystem for mmi

5、litaary appplicaationss， and WRAN.A coopeerativve speectrumm senssing mmethodd of ssmall -scalle coggnitivve wirrelesss netwwork iis prooposedd. On this basiss， a commuunicattion pprotoccol off smalll -sccale ccognittive wwireleess neetworkk is ddesignned. SStartiing frrom thhe proogram compllexityy

6、， thiis papper analyyzes aand evvaluattes thhe commmuniccationn prottocol. Comppared with otherr typiical pprotoccols， the pperforrmancee of tthis pprotoccol iss improoved bby usiing thhe mecchanissm of centrralizeed conntrol， distrributeed sennsing and ppoint to pooint ccommunnicatiion. TThe sttabi

7、liity annd compllexityy of tthe syystem are ttaken into accouunt.Keywordds： cognnitivee radiio； netwwork aarchittecturre； netwwork pprotoccol；cogniitive wirelless nnetworrk； coollaboorativve awaarenesss； coommuniicatioon prootocoll； proogram compllexityy 目 录录摘 要IABSTRACCTII第1章 绪论11.1 认知无无线电的产生生背景和特征

8、征11.1.1 CR技术的的产生21.1.2 CCR 特征21.1.3 认认知无线电与与软件无线电电之间的关系系31.1.4 CCR当前的发发展与标准31.2认知无线线网络的研究究背景4第2章 认知无无线网络的简简介52.1 认知无无线网络的概概念52.2 认知无无线网络的特特点52.2.1 认认知阶段62.2.2 学学习阶段62.2.3 决决策和调整阶阶段6第 3 章 认认知无线网络络的体系结构构83.1 目前提提出的具有代代表性的认知知无线网络(CRN)体体系结构83.2网络架构构83.2.1 CCORVUSS系统93.2.2 无无线区域网93.2.3 支支持多信道多多接口的无线线Mesh

9、网网络93.3 协议体体系103.3.1 CCORVUSS的协议体系系103.3.2 XXG项目的协协议体系113.3.3 WWRAN的协协议体系133.4 CRNN网络动态接接入153.4.1 CCRN中PHHY层中的关关键技术163.4.2 CCRN中MAAC层中的关关键技术17第4章 小型认认知无线网络络的关键技术术184.1引言1184.2认知无线线网络的频谱谱感知184.2.1频谱谱感知的功能能和特点184.2.2常用用频谱感知方方法194.3认知无线线网络的频谱谱分配204.3.1基于于网络结构的的频谱分配204.3.2基于于合作方式的的频谱分配214.3.3基于于接入方式的的分类

10、214.4 短距离离无线网络的的特点和实例例224.4.1短距距离无线网络络的特点224.4.2典型型的短距离通通信网络224.5小型认知知无线网络的的特点和研究究重点224.5.1小型型认知无线网网络的特点234.5.2小型型认知无线网网络设计的研研究重点23第5章 小型认认知无线网络络通信协议的的设定245.1 认知无无线网络的环环境感知方法法245.1.1 基基于单节点的的频谱检测方方法245.1.2 协协同感知方法法245.2 认知无无线网络的通通信协议设计计255.2.1 协协议层次架构构255.2.2 控控制节点的工工作时序255.2.3 认认知节点的工工作时序265.3 其他典典

11、型通信协议议架构形式27结 论299参考文献300谢 辞311 第1章 绪论无线频谱资源的的紧缺是限制制无线移动通通信与服务应应用持续发展展的瓶颈，作作为一种智能能的革命性频频谱共享技术术，认知无线线电（Coggnitivve Raddio，CRR）被称为未未来最热门的的无线技术。它它通过对授权权频谱进行“二次利用”，为缓解频频谱资源缺乏乏与日益增长长的无线业务务需求之间的的矛盾开辟了了一条新的途途径，对有效效解决有限的的无线资源条条件下提高频频谱资源利用用率这一通信信难题有着优优越的和不可可替代的意义义。认知无线网络就就是认知无线线电的网络化化，其本质在在于将认知无无线电的关键键技术环境感感

12、知、智能接接入等应用于于无线通信网网络的整体中中去研究。认认知无线网络络能够利用环环境认知来获获取环境信息息，通过对环环境信息进行行处理和学习习做出智能决决策，并以此此进行网络重重构，实现对对无线环境的的动态适应。1.1 认知无无线电的产生生背景和特征征认知无线电（CCognittive RRadio，CCR）也被称称为智能无线线电。从广义义上来说是指指无线终端具具备足够的智智能或者认知知能力，通过过对周围无线线环境的历史史和当前状况况进行检测、分分析、学习、推推理和规划，利利用相应结果果调整自己的的传输参数，使使用最适合的的无线资源（包包括频率、调调制方式、发发射功率等）完完成无线传输输。认

13、知无线线电能够帮助助用户自动选选择最好的、最最廉价的服务务进行无线传传输，甚至能能够根据现有有的或者即将将获得的无线线资源延迟或或主动发起传传送。认知无线电系统统如图1-11所示：无线环境频谱决策频谱感知频谱分析图1-1 认知无线电系统 频谱空穴信息1.1.1 CR技术的的产生通信手段的不断断进步,正是是人类社会不不断进步的标标志。从数千千年前烽火台台的出现,到到现在3G网络的普普及,可以说说,每一次通通信手段的进进步,都是人人类社会进步步的里程碑。上世纪90年代代,随着无线线通信被越来来越多的应用用在军事、科科研、社会生生活的各个领领域,频谱资资源的使用和和分配逐渐受受到了国际组组织和各国政

14、政府的重视。其其有限性和不不可再生性也也得到了广泛泛的认可。在在这个背景下下,如何尽可可能的有效利利用有限的频频谱资源,成成为了一个备备受关注的话话题。另一方方面,随着电电子技术的进进步,数字通通信技术也得得到了长足的的发展。这个个时期正是GGSM网络在在全球范围内内普及的时期期,数字无线线业务需求连连续数年大幅幅度增长,且且已不限于语语音通话业务务。3G网络、UWBB等技术的出出现,正是为为应对这种巨巨大的需求所所产生的。在频谱资源日益益紧张和数字字通信技术日日益发达的大大背景下,认认知无线电技技术的产生,是历史发展展的必然选择择。自19999年“软件无线电电之父”Josepph Mitto

15、la 博士首次提提出了CR的的概念并 系系统地阐述了了CR的基本本原理以来，不不同的机构和和学者从不同同的角度给出出了CR的定定义，其中比比较有代表性性的包括 FFCC（Feederall Commmunicaationss Commmissioon）和著名名学者Simmon Haaykin教教授的 定义义。 FCCC认为：“CR是能够够基于对其工工作环 境的的交互改变发发射机参数的的无线电”。Simon HHaykinn 则从信号号处理的角度度出发，认为为：“CR是 一一个智能无线线通信系统。它它能够感知外外界环境，并并使用人工智智能技术从环环境中学习，通通过实时改变变某些操作参参 数(比如

16、如传输功率、载载波频率和调调制技术等)，使其内部部状态适应接接收到的无线线信号的统计计性变化，以以达到以下目目的：任何时时间任何地点点的高度可靠靠通信；对频频谱资源的有有效利用。1.1.2 CCR 特征CR应该具备以以下2个主要要特征：(1) 认知能能力 认知能力使CRR能够从其工工作的无线环环境中捕获或或者感知信息息，从而可以以标识特定时时间和空间的的未使用频谱谱资源(也称称为频谱空洞洞)，并选择择最适当的频频谱和工作参参数。这一任任务通常采用用图1-1所所示的认知环环进行表示，包包括3个主要要的步骤：频频谱感知、频频谱分析和频频谱判决。频频谱感知的主主要功能是监监测可用频段段，检测频谱谱空

17、洞；频谱谱分析估计频频谱感知获取取的频谱空洞洞的特性；频频谱判决根据据频谱空洞的的特性和用户户需求选择合合适的频段传传输数据。(2) 重构能力 重构能力使得CCR设备可以以根据无线环环境动态编程程，从而允许许CR设备采采用不同的无无线传输技术术收发数据。可可以重构的参参数包括：工工作频率、调调制方式、发发射功率和通通信协议等。重重构的核心思思想是在不对对频谱授权用用户(LU)产生有害干干扰的前提下下，利用授权权系统的空闲闲频谱提供可可靠的通信服服务。一旦该该频段被LUU使用，CRR有2种应对对方式：一是是切换到其它它空闲频段通通信；二是继继续使用该频频段，但改变变发射统率或或者调制方案案避免对

18、LUU的有害干扰扰。1.1.3 认认知无线电与与软件无线电电之间的关系系 为了便于理解CCR的基本原原理，有必要要将CR与软软件无线电(SDR)进进行区分。根根据电子与电电气工程师协协会(IEEEE) 的定定义，一个无无线电设备可可以称为SDDR的基本前前提是：部分分或者全部基基带或RF信信号处理通过过使用数字信信号处理软件件完成；这些些软件可以在在出厂后修改改。因此，SSDR关注的的是无线电系系统信号处理理的实现方式式； 而CRR是指无线系系统能够感知知操作环境的的变化，并据据此调整系统统工作参数。从从这个意义上上讲，CR是是更高层的概概念，不仅包包括信号处理理，还包括根根据相应的任任务、政

19、策、规规则和目标进进行推理和规规划的高层功功能。一般来说认知无无线电系统必必须具备以下下基本功能：一般来说认认知无线电系系统必须具备备以下基本功功能： (1)对无线线环境的场景景分析，包括括空间电磁环环境中干扰温温度的估计和和频谱空穴的的检测。 (2) 信道状态估计及及其容量预测测，主要有信信道状态信息息的估计、信信道容量的预预测。 (3) 功率控制和动态态频谱管理。1.1.4 CCR当前的发发展与标准 当前，认知无无线电技术已已经得到了各各界的关注，很很多著名学者者和机构都投投入到认知无无线电相关技技术的研究中中，启动了很很多针对认知知无线电的重重要研究项目目。例如德国国高校提出的的频谱池系

20、统统、美国加州州大学Berrkeleyy分校研究组组开发 的CCOVUS系系统、美国GGeorgiia理工学院院宽带和无线线网络实验室室提出的OCCRA项目，美美国军方DAARPA的XXG项目、欧欧盟的E2RR 项目等。在在这些项目的的推动下，在在基本理论、频频谱感知、数数据传输、网网络架构和协协议等领域取取得了一些成成果。IEEEE为此专门门组织了两个个重要的国际际年会交流这这方面的成果果。目前，最最引人关注的的是IEEEE802.222工作组的的工作，该工工作组正在制制订利用空闲闲电视频段进进行宽带无线线接入的技术术标准，这是是第一个引入入认知无线电电概念的IEEEE技术标标准化活动。 2

21、004年110月，IEEEE正式成成立IEEEE802.222工作组，IIEEE8002.22别别名称为“Wirelless RRegionnal Arrea Neetworkk(WRANN，无线区域域网络)”。该工作组组的目的就是是使用认知无无线电技术将将分配给电视视广播的VHHF/UHFF频带(北 美为54MMHz8662MHz)的频率用作作宽带访问线线路。这是继继2002年年实现民用的的“UWB”之后又一全全新的无线频频率应用技术术。IEEEE802.222将要制定定的是无线通通信的物理层层与MAC层层规格。 所所设想的数据据通信频率为为数Mbitt/秒数十十Mbit/秒。电视转转播所用

22、的频频率由于是比比过去的无线线LAN更低低的频带，因因此基站设备备可覆盖的范范围很大，半半径超过400km。如果果此目标得以以实现，总计计300MHHz4000MHz的频频带将可用于于室外宽带通通信。1.2认知无线线网络的研究究背景所谓认知无线网网络,就是认认知无线电的的网络化。其其本质在于将将认知无线电电的关键技术术环境感知知、智能接入入等应用于无无线通信网络络的整体中去去研究。认知知无线网络能能够利用环境境认知来获取取环境信息，通通过对环境信信息进行处理理和学习做出出智能决策，并并以此进行网网络重构实现现对无线环境境的动态适应应。国际学术界和工工业界对认知知无线电技术术的研究思路路经历了一

23、个个发展变化的的过程，即：由单纯的“无线电”视角向“网络与系统统”的框架转变变。在传统的的“无线电”视角之下，认认知无线电系系统所要求的的有意识的、可可调整的、自自动化和自适适应的特征，需需要由“全能型”的无线收发发信机(支持持所有模式所所有频段)来来侦测、发现现并协商适合合的工作频率率、波形及协协议。然而，随随着研究工作作的开展与深深入，这一传传统“无线电”视角逐渐暴暴露了局限性性：所谓“全能型”收发信机的的实现成本、复复杂度、功耗耗等因素使其其在现实中很很难实现。仅仅仅关注了无无线链路底层层，而忽视了了不同网络节节点之间的交交互及协作。 无法反映用用户业务与应应用对无线系系统的影响与与需求

24、。所以以，认知无线线电的研究视视角逐渐从无无线链路的底底层功能扩展展到了更高层层次的协议和和网络设计，认知无线网络(CRN)已逐渐成为认知无线电未来研究和产业化方向的共识。在认知无线网络的框架内，无线网络将根据其与周边多维环境(网络、协议、应用等)交互信息的情况，调整其网络特性，实现最优的系统性能。目前，欧美等发达国家和地区已经开始进行认知无线网络的网络级行为的研究和协议议的制定。但但是国内的研研究仍然主要要处于频谱感感知、频谱决决策等分支学学科研究阶段段。 第2章 认知无无线网络的简简介2.1 认知无无线网络的概概念随着认知无线电电的发展和深深入研究，MMotoroola及Viirginii

25、a Tecch等公司提提出了无线认认知网络（CCognittive RRadio Netwoork，CRRN）的概念念，他们认为为无线认知网网络是一种具具有认知能力力的网络，能能够感知网络络当前的状况况，并根据当当前的状况来来计划、决定定并行动，也也就是说可以以自我配置来来响应和动态态自适应操作作和环境的改改变。自我配配置的主要功功能组成是 自我意识和和自动学习，通通过具有网络络意识的中间间件和网络各各组成部分分分布式交叉来来实现。无线线认知网络能能最大化操作作者的能力。认认知无线电作作为节点构成成智能的认知知无线网络，是是网络的核心心。2.2 认知无无线网络的特特点认知无线网络是是一种具有认

26、认知过程的网网络，它能分分辨当前网络络状态，然后后根据这些状状态进行规划划、决策和响响应。网络能能在这些自适适应过程中学学习，并可以以将学到的知知识用于以后后的决策。最最终目标都是是为了实现端端到端的性能能。 这个定义在认知知方面与认知知无线电的表表述相似，两两者都广泛地地包含了许多多认知和学习习的简易模型型。这个定义义的关键是在在于网络层面面和端到端的的部分。如果果没有网络和和端到端的视视角，这个系系统也许将成成为认知无线线电或者只是是网络中的一一层，而不是是一个完整的的认知无线网网络。这里的的端到端指的的是网络所有有元素都参与与了同一个数数据流的传播播。而端到端端的目标使得得认知无线网网络

27、有一个全全网范围内的的要求，这点点使其与只在在本地或者单单元素范围内内自适应的方方法区别开来来。 认知无线网络应应该将对网络络性能的观察察（或者代理理观察）作为为决策处理过过程的输入，然然后将可作用用于网络中可可调元素的一一系列行为作作为输出。理理想的情况是是，一个认知知无线网络应应该具有前瞻瞻性而不仅仅仅是反应式的的处理，它应应该在问题出出现之前就尝尝试校正修整整。此外，认认知无线网络络的体系架构构应该具有扩扩展性和灵活活性，以支持持未来改善的的网络架构和和新增的网络络元素，从而而实现更高层层次的通信目目标。认知集集中在对无线线环境域、网网络环境域和和用户域的多多域认知上，完完成对海量认认知

28、信息的获获取，为以后后的学习、决决策、调整阶阶段提供信息息输入。学习习阶段主要是是通过反馈环环路分析行动动对外界环境境变化进行响响应，逐步修修正达到最优优的行动策略略目的。决策策和调整阶段段是针对认知知信息和经验验学习，选择择最优的行动动决策并通过过重配置方式式进行相应参参数的调整。这这个阶段涉及及无线频谱资资源的分配和和管理、对异异构无线网络络资源的联合合管理，期望望得到资源的的最大利用效效率，从而获获得系统性能能的最大提升升。为了实现现这一目标，跨跨层设计可以以通过增加层层间交互的方方式对相应的的协议层做出出最优决策和和调整命令，SSelf-xx利用其自配配置、自管理理、自优化的的特性对网

29、络络进行实时监监测和调整。2.2.1 认认知阶段为了适应时变的的无线信道环环境，及时获获取网络的状状态信息，认认知无线网络络需要借助认认知技术，来来实现无线资资源的有效利利用和网络性性能的整体提提升。由于未未来必定是多多种异构网络络共存的局面面，用户可以以根据网络的的运行状况来来自主选择要要接入的性能能最佳的网络络，从而为用用户提供最好好的端到端QQoS（Quualityy of SServicce）保证，认认知为这一目目标的实现提提供了重要的的手段。为了了提高认知的的效率和完备备性，充分认认知环境的变变化，认知域域需要由传统统的单一无线线环境扩展为为包括无线环环境、网络环环境和用户环环境在内

30、的多多域认知环境境。 传统的静态、局局部的频谱分分配策略已经经不能解决日日渐突显的频频谱匮乏问题题，如何有效效地整合空闲闲的频谱资源源并动态地进进行分配变得得尤为重要。因因此目前关于于认知的研究究也主要集中中在对“频谱空穴”的感知上，检检测空白频谱谱并重新分配配，提高资源源的利用效率率。主要相关关的技术有：信号检测技技术、感知导导频信道（CCPC，Coognitiive Piilot CChanneel）技术、数数据库技术。2.2.2 学学习阶段学习阶段是当外外界环境参量量发生变化时时，系统感知知此变化并做做出相应的动动作响应，通通过动作响应应的结果，判判断对系统性性能的影响。对对系统响应结结

31、果进行学习习，并将学习习结果输入策策略库，以便便下次发生相相同的变化时时采取经验条条件下最优的的行动策略。简简而言之，期期望通过经验验学习来获得得系统性能的的提升。当用用户感知到对对外界环境的的某些参数后后，做出决策策并作用于外外界环境，外外界环境给认认知用户一个个反馈，学习习阶段就是逐逐步分析这些些反馈，以达达到最佳策略略，继而完成成学习的过程程。相关的学学习方法主要要有：监督学学习、非监督督学习和半监监督学习。2.2.3 决决策和调整阶阶段1频谱管理 由于认知无线网网络中用户对对带宽的需求求、可用信道道的数量和位位置都是实时时变化的。频频谱分配技术术将一些不规规律和不连续续的频谱资源源进行

32、整合，按按照一定的公公平原则将频频谱资源分配配给不同的用用户，实现资资源的合理分分配和利用。自自适应频谱资资源分配的关关键技术主要要有：载波分分配技术、子子载波功率控控制技术、复复合自适应传传输技术。为为了协调授权权用户和非授授权用户间的的关系，提高高频谱管理的的效率，新的的频谱管理思思想和管理规规则亟待提出出，以适应用用户的需求和和技术的发展展。 2联合无线资资源管理 各种异构无线接接入技术（RRAT，Raadio AAccesss Techhnologgy）共存将将会是未来无无线网络环境境的一大特点点。具体来说说，各种无线线接入技术将将会出现重叠叠覆盖，各自自面向不同的的服务要求，技技术特

33、性之间间存在互补性性。这些特点点使得异构无无线接入技术术之间的资源源共享成为可可能，由此提提高系统性能能和资源利用用率，带来更更好的用户体体验。 联合无线资源管管理（JRRRM，Joiint Raadio RResourrce Maanagemment）用用于多个异构构无线接入网网之间的无线线资源分配，它它通过联合会会话接纳控制制、联合会话话调度、联合合负载控制和和切换等功能能来实现更高高的系统性能能和频谱效率率。 3跨层设计 所谓跨层优化设设计，是通过过在网络各层层间共享与其其他层相关的的信息，利用用各层之间的的相关性，将将各层协议集集成到一个综综合的分级框框架中，对无无线网络进行行整体设计

34、的的一种思想。这这种设计模糊糊了严格的层层间界限，打打破传统的通通信系统分层层框架，将分分散在网络各各个子层的特特性参数协调调融合，使得得协议栈能够够以全局的方方式适应特定定应用所需的的QoS和网网络状况的变变化，根据系系统的约束条条件和网络特特征来进行综综合优化的方方式。跨层的的设计思想，实实现了对网络络资源的有效效分配，达到到了提高网络络的综合性能能，为用户提提供更好服务务的目的。 4Self-x技术 下一代网络融合合了多种异构构网络，这极极大地增加了了网络管理的的复杂性，针针对此问题，研研究人员提出出了基于自主主计算（ACC，Autoonomicc Compputingg）的异构无无线网

35、络自主主管理架构。 自主计算的概念念最早由IBBM在20001年提出。所所谓自主计算算，即通过设设计、构建一一个能够自管管理的计算系系统来实现系系统的自我管管理，以便将将管理人员从从复杂管理任任务中解脱出出来，降低系系统的复杂性性，减少管理理成本。它的的本质是由系系统主动监视视自身的运行行状态，并按按照管理策略略针对不同的的运行状态自自动执行相应应的调整系统操作。自主主计算的核心心思想是实现现自主管理（SSelf-mmanageement）功功能，主要表表现为：自配配置（Sellf-connfigurring）、自自恢复（Seelf-heealingg）、自优化化（Selff-optiimiz

36、inng）、自保保护（Sellf-prootectiing）。以以上自主管理理的功能也被被称为Sellf-x。 第 3 章 认认知无线网络络的体系结构构3.1 目前提提出的具有代代表性的认知知无线网络(CRN)体体系结构 认知无线电是一一个智能无线线通信系统，它它能够感知外外界环境，并并使用人工智智能技术从环环境中学习，通通过实时改变变某些操作参参数，使其内内部状态适应应接收到的无无线信号的统统计性变化。 基于CR技技术的认知无无线电网络具具有动态、灵灵活、智能地地使用频谱资资源，提高频频谱利用率的的特点，其网网络结构和协协议体系的设设计是实现上上述网络功能能的关键。现现有基于认知知无线电技术

37、术的网络架构构主要有美国国的CORVVUS系统，基基于IEEEE 802.22的无线线区域网(WWRAN)和和支持多信道道多接口的无无线Meshh网络；协议议体系有COORVUS协协议体系，军军用的XG系系统协议及WWRAN协议议等。3.2网络架构构采用认知无线电电技术的认知知无线电网络络，由于其独独特的频谱复复用性和巨大大的覆盖范围围，呈现出一一些不同于以以往传统网络络的特点：1.在多系统共共存条件下，分分配无线资源源。用户间的的链接需要进进行有效的控控制和管理， 同时满足延延迟和带宽要要求，实现数数据传输调度度。在数据传传输调度时需需要考虑以下下几个因素：与交叠的认认知无线电小小区的共存、

38、业业务流对应的的调度业务、业业务流的服务务质量(QooS)参数值值、数据传输输的可靠性和和所分配的带带宽容量。2.系统应该具具有多信道支支持能力。中中心控制器在在需要情况下下应该能够将将多个邻近频频道进行聚合合处理以改善善系统性能，支支持更多的用用户使用并占占据更广的覆覆盖面。它可可以在一些控控制帧中指示示用户终端哪哪些信道可以以聚合成组以以供使用， 而用户则可可以相应地采采用多信道模模式工作。中中心控制器要要具有能够处处理跨越多个个子信道的上上下行传输能能力，并且随随着信道数量量变化及时调调整调度工作作。信道分组组使用同时也也提高了带宽宽利用率。主主用户检测程程序和分布式式感知能力为为多信道

39、操作作的可行性提提供了保证。3.系统面临共共存问题。共共存问题包括括两个层次：一是对主用用户系统的干干扰问题；二二是对于重叠叠区、部分重重叠区内认知知网络实体的的共存问题。为为避免对主用用户的干扰，分分布式频谱感感知、测量、检检测算法以及及频谱管理等等认知无线电电技术所特有有的功能都必必须加以考虑虑。现实中，作作为覆盖范围围巨大的多个个认知无线电电小区之间很很有可能会发发生部分重叠叠，最坏情况况下甚至完全全重叠。由此此引发的自干干扰问题如果果不能得到解解决，将会严严重影响认知知无线电网络络工作。基于以上的特点点，学术界和和工业界已经经提出了一些些适用于认知知无线电网络络的网络体系系架构，其中中

40、具有代表性性的有如下33个。3.2.1 CCORVUSS系统 早在2004年年美国加州大大学伯克立分分校的 Brroderssen 教授授领导的研究究组就提出了了基于认知无无线电方式使使用虚拟非授授权频谱的CCORVUSS体系结构。在在CORVUUS系统中，由由多个次用户户(SU)组组成次用户组组(SUG)。 同一个个SUG中的的节点可以彼彼此间以Add hoc方方式通信，或或者通过专用用接入节点访访问骨干网络络(比如Innterneet)。不同同SUG中的的SU是不能能直接通 信信的。假设在在对等SU或或者SU与接接入点(APP)间只存在在单播通信，不不支持广播，那那么对等SUU或SU与AA

41、P的通信允允许分布式或或集中式的组组织方 式。 CORVUUS系统将SSU面对的业业务流形式主主要划分为22种类型：WWeb式和AAd hocc网络式。对对应于Webb式，SU主主要工作类似似Interrnet接入入，需要一个个类似基站或或者访问点的的存在来提供供接入服务，因因此会采用集集中式控制。而而Ad hooc网络式主主要工作是节节点彼此间进进行的通信，采采用分布式控控制即可。3.2.2 无无线区域网基于IEEE 802.222标准的无无线区域网(WRAN)使用未使用用的电视广播播信道，在对对电视信道不不产生干扰的的前提下，为为农村地区、边边远地区和低低人口密度且且通信服务质质量差的市场

42、场提供类似于于在城区或郊郊区 使用的的宽带接入技技术的通信性性能。在WRAN的系系统中，基站站和用户预定定设备是主要要实体，转发发器是可选的的实体，采用用集中式的网网络结构。在在下行方向上上，WRANN采用固定的的点对多点星星型结构，其其信息传播方方式为广播方方式；在上行行方向上，WWRAN向用用户提供有效效的多址接入入，采取按需需多址(DAAMA)和时时分多址(TTDMA)，即即各用户场地地设备(CPPE)以传输输需求为基础础，根据DAAMA 和TTDMA机制制共享上行信信道。用户通通过与基站(BS)的空空中接口接入入核心网络，一一个CPE可可支持多个传传输数据、语语音和视频的的用户网络的的

43、接入，通过过BS可接入入到多个核心心网络。在CCPE与BSS之间，系统统可通过转发发器进行转发发。在任何情情况下，BSS提供集中式式的控制，包包括功率管理理、频率管理理和调度控制制。3.2.3 支支持多信道多多接口的无线线Mesh网网络 支持多信道多接接口的无线MMesh网络络按Ad hhoc方式或或者混合网络络方式布置。如果网络中节点点具有一个或或多个无线电电接口(如网网卡)，可同同时接入一个个或多个无线线信道，节点点具有感知无无线环境的功功能，可以判判断信道的使使用情况，选选择相应的信信道接入。正正是因为节点点的这一特点点，使得这类类网络结构设设计和布置与与传统网络有有很大不同。3.3 协

44、议体体系如何保证所设计计的协议体系系结构能够保保证正确可靠靠的数据交换换，如何保证证所设计的协协议体系结构构在实现时能能够保证与协协议标准的一一致性，以及及如何实现与与其他协议标标准之间的数数据交换，这这都是认知无无线电协议体体系结构设计计中必须考虑虑的问题。 由于认知无无线电技术具具有动态、灵灵活、智能的的特点，因而而对网络协议议的要求也比比较高，要求求协议具有异异步、实时的的特点，必须须能自适应于于因终端变动动、无线环境境变动而带来来的可用频谱谱资源的动态态变化、网络络拓扑结构的的改变。因此此在设计认知知无线电网络络协议时，将将遵循以下原原则：协议设设计应充分反反映认知无线线电技术的特特征

45、。常用通通信协议体系系结协议设计计应充分反映映认知无线电电技术的特征征构都采用分分层结构，在在对认知无线线电网络进行行设计时，将将主要考虑物物理层、媒体体接入控制(MAC)层层以及网络层层。在具体设设计过程中，将将借鉴已有物物理层、MAAC层与网络络层的协议层层次，在此基基础上，加入入具有认知无无线电特性的的功能模块。协议架构设计应应结合算法与网络结结构设计的成成果进行系统统性地考虑。由由于认知无线线电网络协议议的设计与采采用的网络结结构密切相关关，而算法又又与所采用的的网络结构密密切相关，三三者之间，相相辅相成，互互相影响。因因此在网络协协议设计过程程中，应建立立一个初步的的框架，然后后结合

46、算法设设计以及网络络结构设计的的成果不断 修订，最终终完成网络协协议的设计。协协议架构设计计应尽可能考考虑相容性，即即考虑与其他他系统之间的的协议架构设设计应尽可能能考虑相容性性共存问题。由由于目前的通通信格局是多多系统共存，因因此在认知无无线电协议架架构设计时，应应充分考虑与与其它系统之之间的共存问问题。现有认认知无线电系系统的一些协协议体系都是是以分层协议议栈为基础进进行研究的，这这种分层和模模块化的设计计在将新技术术融入现有网网络技术时具具有一定优势势。3.3.1 CCORVUSS的协议体系系CORVUS的的协议结构基基于通用的OOSI/ISSO协议栈结结构，如图33-1所示。从从这个协

47、议栈栈结构可以看看到，主要涉涉及了物理层层与链路层。在在物理层中，与与认知无线电电技术相关的的主要模块包包括：频谱感感知、信道估估计和数据传传输功能模块块。系统内SSU间的控制制和感知信息息是通过两个个专用逻辑信信道通用控制制信道(UCCC)和组控控制信道 (GCC)来来实现传送。UUCC是系统统唯一的公用用控制信道，每每个SU预先先知道。每个个SUG拥有有一个GCCC负责 交换换组内控制和和感知信息。 在链路路层上，与认认知无线电技技术相关的主主要模块是：组管理模块块，链路管理理模块和介质质接入控制模模块。 组管理模块：CCORVUSS体系结构假假定系统由主主用户(PUU)和具有认认知能力的SSU组成，PPU是某些频频段的合法拥拥有者，SUU在认知无线线电技 术支支持下借用PPU暂时未使使用频段通信信。多个SUU组成SU组组，任何一个个SU均属于于某个组。系系统通过定义义的信道全局局控制信道用用来进行组的的管理。新加加入网络的SSU加入已存存在的某个SUG或者新生生成一个组，从从 UCC处处获取所必需需的信息。 传输层 网络层 链路层公用控制信道