認知無線電網絡架構與協議體系

摘要：認知無線電網絡具有動態、靈活、智能地使用頻譜資源，提高頻譜利用率的特點，其網絡結構和協議體系的設計是實現上述網絡功能的關鍵。現有基于認知無線電技術的網絡架構主要有美國的CORVUS系統，基于IEEE 802.22的無線局域網(WRAN)和支持多信道多接口的無線Mesh網絡；協議體系有CORVUS協議體系，軍用的XG系統協議及WRAN協議等。

關鍵詞：認知無線電；網絡架構；網絡協議

Abstract: Cognitive radio networks have the abilities of utilizing spectrum dynamically， agilely and intelligently， and improving the efficiency of spectrum usage. Consequently， both the protocol and architectural designs for cognitive radio networks is very crucial. The network architectures in existing systems included contents are CORVUS system introduced in America， Wireless Regional Area Network (WRAN) based on IEEE 802.22 as well as the wireless Mesh network supporting multi-channel and multi-interface; related network protocols are of CORVUS system， the XG system for military applications， and WRAN.

Key words: cognitive radio; network architecture; network protocol

基金項目：國家“863”計劃 (2005AA123910)

隨著無線應用的范圍不斷擴展，頻譜資源的稀缺成為無線應用研究領域無法回避的重要問題。現有無線通信系統分配頻譜大多是基于固定分配方式，這種分配方式的頻譜利用率極低，不符合日益發展的無線通信的需要。Joseph Mitola博士[1]提出的認知無線電技術從頻譜再利用的思想出發，能夠對頻譜資源達到有效利用并保持可靠通信能力。

認知無線電是一個智能無線通信系統[2]，它能夠感知外界環境，并使用人工智能技術從環境中學習，通過實時改變某些操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等)，使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計性變化，從而實現任何時間、任何地點的高可靠通信以及對頻譜資源的有效利用。

1 網絡架構

采用認知無線電技術的認知無線電網絡，由于其獨特的頻譜復用性和巨大的覆蓋范圍，呈現出一些不同于以往傳統網絡的特點：

在多系統共存條件下，分配無線資源。用戶間的鏈接需要進行有效的控制和管理，同時滿足延遲和帶寬要求，實現數據傳輸調度。在數據傳輸調度時需要考慮以下幾個因素：與交疊的認知無線電小區的共存、業務流對應的調度業務、業務流的服務質量(QoS)參數值、數據傳輸的可靠性和所分配的帶寬容量。

系統應該具有多信道支持能力。中心控制器在需要情況下應該能夠將多個鄰近頻道進行聚合處理以改善系統性能，支持更多的用戶使用并占據更廣的覆蓋面。它可以在一些控制幀中指示用戶終端哪些信道可以聚合成組以供使用，而用戶則可以相應地采用多信道模式工作。中心控制器要具有能夠處理跨越多個子信道的上下行傳輸能力，并且隨著信道數量變化及時調整調度工作。信道分組使用同時也提高了帶寬利用率。主用戶檢測程序和分布式感知能力為多信道操作的可行性提供了保證。

系統面臨共存問題。共存問題包括兩個層次：一是對主用戶系統的干擾問題；二是對于重疊區、部分重疊區內認知網絡實體的共存問題。為避免對主用戶的干擾，分布式頻譜感知、測量、檢測算法以及頻譜管理等認知無線電技術所特有的功能都必須加以考慮。現實中，作為覆蓋范圍巨大的多個認知無線電小區之間很有可能會發生部分重疊，最壞情況下甚至完全重疊。由此引發的自干擾問題如果不能得到解決，將會嚴重影響認知無線電網絡工作。

基于以上的特點，學術界和工業界已經提出了一些適用于認知無線電網絡的網絡體系架構，其中具有代表性的有如下3個。

1.1 CORVUS系統

早在2004年美國加州大學伯克立分校的Brodersen教授領導的研究組就提出了基于認知無線電方式使用虛擬非授權頻譜的CORVUS體系結構[3]。在CORVUS系統中，由多個次用戶(SU)組成次用戶組(SUG)。同一個SUG中的節點可以彼此間以Ad hoc方式通信，或者通過專用接入節點訪問骨干網絡(比如Internet)。不同SUG中的SU是不能直接通信的。假設在對等SU或者SU與接入點(AP)間只存在單播通信，不支持廣播，那么對等SU或SU與AP的通信允許分布式或集中式的組織方式。

CORVUS系統將SU面對的業務流形式主要劃分為2種類型：Web式和Ad hoc網絡式。對應于Web式，SU主要工作類似Internet接入，需要一個類似基站或者訪問點的存在來提供接入服務，因此會采用集中式控制。而Ad hoc網絡式主要工作是節點彼此間進行的通信，采用分布式控制即可。

1.2 無線區域網

基于IEEE 802.22標準[4]的無線區域網(WRAN)使用未使用的電視廣播信道，在對電視信道不產生干擾的前提下，為農村地區、邊遠地區和低人口密度且通信服務質量差的市場提供類似于在城區或郊區使用的寬帶接入技術的通信性能。

在WRAN的系統中，基站和用戶預定設備是主要實體，轉發器是可選的實體，采用集中式的網絡結構。在下行方向上，WRAN采用固定的點對多點星型結構，其信息傳播方式為廣播方式；在上行方向上，WRAN向用戶提供有效的多址接入，采取按需多址(DAMA)和時分多地(TDMA)，即各用戶場地設備(CPE)以傳輸需求為基礎，根據DAMA和TDMA機制共享上行信道。用戶通過與基站(BS)的空中接口接入核心網絡，一個CPE可支持多個傳輸數據、語音和視頻的用戶網絡的接入，通過BS可接入到多個核心網絡。在CPE與BS之間，系統可通過轉發器進行轉發。在任何情況下，BS提供集中式的控制，包括功率管理、頻率管理和調度控制。

1.3 支持多信道多接口的無線Mesh

網絡

支持多信道多接口的無線Mesh網絡按Ad hoc方式或者混合網絡方式布置。如果網絡中節點具有一個或多個無線電接口(如網卡)，可同時接入一個或多個無線信道，節點具有感知無線環境的功能，可以判斷信道的使用情況，選擇相應的信道接入。正是因為節點的這一特點，使得這類網絡結構設計和布置與傳統網絡有很大不同。

2 協議體系

如何保證所設計的協議體系結構能夠保證正確可靠的數據交換，如何保證所設計的協議體系結構在實現時能夠保證與協議標準的一致性，以及如何實現與其他協議標準之間的數據交換，這都是認知無線電協議體系結構設計中必須考慮的問題。

由于認知無線電技術具有動態、靈活、智能的特點，因而對網絡協議的要求也比較高，要求協議具有異步、實時的特點，必須能自適應于因終端變動、無線環境變動而帶來的可用頻譜資源的動態變化、網絡拓撲結構的改變。因此在設計認知無線電網絡協議時，將遵循以下原則：

協議設計應充分反映認知無線電技術的特征。常用通信協議體系結構都采用分層結構，在對認知無線電網絡進行設計時，將主要考慮物理層、媒體接入控制(MAC)層以及網絡層。在具體設計過程中，將借鑒已有物理層、MAC層與網絡層的協議層次，在此基礎上，加入具有認知無線電特性的功能模塊。

協議架構設計應結合算法與網絡結構設計的成果進行系統性地考慮。由于認知無線電網絡協議的設計與采用的網絡結構密切相關，而算法又與所采用的網絡結構密切相關，三者之間，相輔相成，互相影響。因此在網絡協議設計過程中，應建立一個初步的框架，然后結合算法設計以及網絡結構設計的成果不斷修訂，最終完成網絡協議的設計。

協議架構設計應盡可能考慮相容性，即考慮與其他系統之間的共存問題。由于目前的通信格局是多系統共存，因此在認知無線電協議架構設計時，應充分考慮與其它系統之間的共存問題。

現有認知無線電系統的一些協議體系都是以分層協議棧為基礎進行研究的，這種分層和模塊化的設計在將新技術融入現有網絡技術時具有一定優勢。

2.1 CORVUS的協議體系

CORVUS的協議結構基于通用的OSI/ISO協議棧結構，如圖1所示。從這個協議棧結構可以看到，主要涉及了物理層與鏈路層。

在物理層中，與認知無線電技術相關的主要模塊包括：頻譜感知、信道估計和數據傳輸功能模塊。系統內SU間的控制和感知信息是通過兩個專用邏輯信道通用控制信道(UCC)和組控制信道(GCC)來實現傳送。UCC是系統唯一的公用控制信道，每個SU預先知道。每個SUG擁有一個GCC負責交換組內控制和感知信息。

在鏈路層上，與認知無線電技術相關的主要模塊是：組管理模塊，鏈路管理模塊和介質接入控制模塊。

組管理模塊：CORVUS體系結構假定系統由主用戶(PU)和具有認知能力的SU組成，PU是某些頻段的合法擁有者，SU在認知無線電技術支持下借用PU暫時未使用頻段通信。多個SU組成SU組，任何一個SU均屬于某個組。系統通過定義的信道全局控制信道用來進行組的管理。新加入網絡的SU加入已存在的某個SUG或者新生成一個組，從UCC處獲取所必需的信息。

鏈路管理模塊：該模塊負責兩個SU之間的通信建立和鏈路維護。鏈路層基于感知信息，信道估計或者用戶/法規要求等選擇一組子信道用以建立鏈接。在物理層感知到有PU意圖使用這些信道時，鏈路層要換到新的信道以免影響PU并維持自身通信。

MAC模塊：MAC是認知無線電系統中比較有挑戰性的部分。在多分組多用戶系統中，MAC要能夠提供多個SU并發接入一個鏈接的能力，甚至要能夠管理多個SU的多個鏈接并發使用同一子信道。

2.2 XG項目的協議體系

美國國防部高級研究計劃署(DARPA)資助的XG項目[5]也在積極關注動態使用頻譜問題。XG系統設定普通協議分層模型不需重新修改傳統MAC協議，只需適當升級即可，例如傳統收發機應用程序接口(API)可加入XG原語集成為XG改進收發機API，如圖2所示。XG范圍只包括在物理層和MAC層，網絡層及其以上層也不需做改動。最終系統形式是完全具有XG特性的MAC層和物理層。但現階段主要研究內容是圖上中間部分示意的系統協議結構，將具有XG特性和功能的層次模塊集合進原有通信系統中。在這樣的XG的協議棧中，MAC層增加了XG處理模塊，物理層增加了XG控制模塊。XG總體而言是一個MAC層的概念，但其中一些重要部分卻分布在物理層。比如感知，它的收集和對接收信號強度的平均化處理就被設計在物理層進行，這就必須考慮協議的跨層問題。

XG的物理層增加了XG控制功能模塊，該模塊識別出部分特定幀是具有XG特性的并對其進行相應處理。XG處理模塊利用物理層發送和交換頻譜利用信息，與物理網絡上的其它成員協調頻譜資源分配，這種交互的重要之處在于需要確保選擇頻率在收方是可用的，在發端也不會造成信號阻塞。各XG處理模塊彼此協調，執行動態頻譜共享，限制對主用戶的干擾，還產生物理層的狀態信息。

XG MAC層上增加的XG處理模塊進一步分解為：機會識別、機會分配、機會使用3個模塊：

機會識別模塊：決定可用的傳輸機會集并加上相應的約束條件。機會集是動態的，隨時間變化。可用的傳輸機會為XG全部節點的一個子集服務，特別是在目標節點附近一定范圍內的節點。機會識別是一個分布式工作，可能包括感知頻譜機會，鑒別可用機會并賦予約束條件(比如時間窗口，最大功率和發射參數)，向目標地區分發信息等內容。

機會分配模塊：以分布式方式將機會識別模塊確定的可用傳輸機會分配給XG節點。它使用機會信息和約束條件創建一個動態分配表。分配表實際上是個分布式的數據庫，包含對各個XG節點分配的頻率、時間間隔或碼字。分配也是隨時間變化的，它可以基于任意介質接入控制方式——載波監聽媒體接入/沖突避免(CSMA/CA)、 頻分多址(FDMA)、TDMA、CDMA，或者幾者結合。

機會使用模塊：指的是在給定的傳輸機會上進行通信的物理層機制，它也要負責記錄機會使用機制和收發機參數上下限值。此功能模塊的作用就是確保一個數據包在滿足約束條件下盡可能快地傳送。存在很多可能的機會使用機制，模塊并不限定使用某種特定實現機制。

在分配和識別模塊間構造了一個機會API，它是個XG內部的API，作用是清晰分開決定傳輸機會和使用機會2種功能。這個API的使用便于對2個模塊進行獨立細化，在同一個系統框架下分別地采用不同方法執行。

2.3 WRAN的協議體系

WRAN的IEEE 802.22標準包括物理層和MAC的協議，與IEEE 802.16系列中的結構、管理和互聯等要求保持一致性。

IEEE 802.22協議在物理層上增加了頻譜感知功能，通過本地頻譜感知技術以及分布式檢測等方法，來可靠地感知某時刻、某地區的電視頻段中各子信道是否被授權的電視信號(ATSC、DVB-T、DMB-T等制式)占用，使認知用戶能夠在對授權用戶系統不造成干擾的情況下接入空閑的電視頻段，充分利用有限的頻譜資源。本地檢測器利用本地的感知天線對授權用戶的信號進行感知，可能的算法包括；匹配濾波、能量檢測以及周期特性檢測等。由于信道的多徑衰落、陰影效應以及隱藏節點等問題的出現，從而增加了單個認知無線電用戶檢測某頻段是否存在原始用戶的結果不確定性。為了克服這一系列問題，有必要聯合位于不同位置的多節點進行分布式地聯合檢測。可能的合并算法包括：“與”、“或”和“K秩”等。

MAC協議方面，主要參照應用于固定寬帶無線接入的IEEE 802.16標準，并根據WRAN的特點與要求做了相應的修改與擴展，并將該MAC協議成為認知MAC協議。在對認知無線電系統極為重要的頻譜管理方面，MAC協議中不僅引入了使得WRAN各覆蓋區域相重疊的BS能更加有效地共享無線頻譜的共存信標協議，同時在MAC層的功能中加入了信道管理和測量功能以更加靈活有效地實現頻譜管理。與IEEE 802.16一樣，WRAN采取面向連接的通信機制，從而便于提供靈活的QoS服務。協議支持單播，多播和廣播服務，并采用聯合接入方案以在滿足延遲與帶寬要求的同時，對用戶間的連接進行有效的管理與控制。這主要通過４種不同的上行調度機制來完成，而這４種調度機制又通過主動帶寬獲取、投票選舉和競爭３個過程來實現。

IEEE 802.22協議中提出的參考結構模型如圖3，即由一個頻譜管理模塊和多個MAC/物理層模塊構成，而CPE僅由一個MAC/物理層模塊構成。其中頻譜管理模塊使得系統能夠使用不連續的信道，并同時保持了MAC協議的簡單性和可擴展性。該模塊負責觀察整個目標頻段，并將可用的空閑信道根據一定標準(如每個模塊連接的終端數，通信要求，傳輸距離等)分配給各個MAC/物理層模塊。此外，頻譜管理模塊還應能夠處理不同模塊的請求，如因信道質量發生變化導致切換信道，因而需獲得可用信道信息的請求。

3 結束語

認知無線電網絡架構與協議體系的設計無論是理論研究還是實際應用都具有很高的價值，目前學術界和工業界有關這方面的理論研究及標準制定正在進行，且取得了一些成果。有理由相信隨著技術的發展和認知無線電網絡的更廣泛應用，網絡架構與協議體系的研究將得到更大的發展，并被應用到實際系統當中。

4 參考文獻

[1] Mitola Ⅲ， MAGUIRE G Q Jr. Cognitive radio: Making software radios more personal [J]. IEEE Personal Communications， 1999， 6 (4): 13-18.

[2] HAYKIN S. Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2005， 23(2): 201-220.

[3] Brodersen R W， Wolisz A， Cabric D， et al. CORVUS: a cognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum [R]. white paper， Berkeley ，CA， USA: Berkeley Wireless Research Center， 2004.

[4] IEEE 802.22 Working Group on Wireless Regional Area Networks. IEEE 802.22 Functional Requirements [R]. 2005.

[5] XG Working Group. The XG Architectural Framework [R]. RFC Version 1.0.2003.

收稿日期： 2007-03-21