認知無線電的資源自主分配和協同驗證的研究

秦 航 (長江大學計算機科學學院,湖北荊州434023)

吳中博 (襄樊學院數學與計算機科學學院,湖北襄樊441053)

無線網絡、移動通信以及便攜式設備的迅速發展,以及無線業務需求急劇增長,使得原有無線頻譜的分配政策與使用方案越來越難滿足實際需求。為了解決上述矛盾,作為一個智能無線通信系統,認知無線電 (CR)[1]能夠感知外界環境,并使用人工智能技術從環境中獲取各種參數,通過實時改變某些參數,使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計性變化,以達到任何時間、任何地點高度可靠通信及對頻譜資源的有效利用[2]。

當前,以認知無線電為基礎的無線通信技術已經被公認為解決現在及未來頻譜資源矛盾的首選技術,甚至被視為下一代無線未來的基礎。但是,由于無線媒介的共享特性,以及鄰近的設備將互相干擾,給無線通信系統帶來顯著的性能下降[3]。為了更有效地利用認知技術來動態接入頻譜,并大大提高頻譜利用率[4～5],筆者從認知無線電的協作出發,建立了一種頻譜管理的跨層式設計方法,并結合網絡協作進行管理。隨后針對蜂窩系統、城域網系統和短距離系統[6～7],實現了無線資源跨層管理的驗證平臺來統一地管理與控制多平面資源。

1 認知無線電的協同協作

認知無線電的設計目標在于提高頻譜共享效率。目前有一些頻譜共享的方法,包括特征權利制度、頻譜清潔室、簡單頻譜禮儀的非授權頻段、公開接入和認知無線電。按照硬件復雜度和軟件的協作程度,給出了認知無線電協作的協同協作方法。靈活的寬頻段無線電,發射機不需要任何鄰居節點的協議層協作,就可以通過掃描信道來自治地選擇頻段,并調制波形使得干擾最小。

在傳輸速率和功率的反應式控制中[8],無線電節點和鄰居沒有任何協作。與TCP協議反應式地調節源節點速率一樣,反應式控制采用反應式算法來均衡資源分配并控制速率和功率。隨著認知無線電系統中軟件復雜性的增加,通過主動式策略如無線電層次的頻譜禮儀協議來增加無線電節點間的協作[9],并在分布式協作的共享頻段處采用互聯網的頻譜服務或通用頻譜協作信道。禮儀方法需要物理層的協作,但是不需要無線電的可編程波形。在該策略中,無線電節點在密集環境下識別出協作相互系數,并在MAC層協作的鄰近節點和自適應無線網絡的網絡層協議間設置一個控制物理層,并通過控制物理層的引導建立了一個自組織網絡。

2 頻譜管理的跨層式設計

2.1 系統結構

如圖1所示,在通用認知無線電體系結構中,通信系統是簡化了的開放系統互聯 (OSI)堆棧。認知無線電適變的跨層設計和網絡協作的關鍵設計原則如下:①單個認知設備的自主適變跨層設計。由于各層次內部的控制機制在層次之間具有潛在的相互影響,所以需要針對不同層的應用控制機制,來聯合考慮跨層的控制機制,達到最終優化整體系統的端到端效能的目的[10]。②認知設備組之間的網絡協作。單個認知設備內部的自主適變跨層設計還不足夠,由于當某個設備執行某一功能時,不同設備會相互作用并產生影響,所以設備組之間需要協作分析狀況,并相互協同來決定最佳的網絡和協議[11]。

圖1 自主適變的跨層設計和網絡協作

在系統平臺中,認知無線電的智能核心在認知引擎,用來執行在通信系統重構中必須的模擬、學習、最優化過程。認知引擎觀察OSI協議棧的行為,并根據當前環境提出優化問題。認知引擎從用戶域、無線電域、政策域以及無線電自身獲取信息。用戶域傳輸與用戶應用和網絡需求相關的信息,來指導認知引擎的優化。無線電域的信息包含射頻 (RF)和能影響系統性能的環境數據。政策引擎確定無線電硬件是否能夠支持優化,以及監管機構和網絡控制是否允許優化等,它從政策域接收政策相關的信息,該信息幫助認知無線電決定可行的解決方法,并阻止任何違反本地規范的解決方法。

2.2 頻譜管理框架

針對不同的QoS需求和主用戶網的共存帶來的挑戰,認知無線電需要具備下面的一些新的頻譜管理功能:①干擾避免。認知無線電應該避免和主用戶網的干擾。②QoS需求。為了選擇一個合適的頻段,根據動態和異構頻譜環境,認知無線電應該具備通信的QoS保證。③無縫通信。認知無線電應該給主用戶提供無縫通信。

針對這些挑戰,下面給出認知無線電中頻譜管理的不同功能。這些頻譜管理過程由下面4個主要步驟組成:①頻譜感知。認知無線電用戶僅能分配未使用的頻譜。因此,認知用戶應該監控可用頻段,然后捕獲信息并識別頻譜空洞。②頻譜決策。根據頻譜的可用性,認知用戶能分配信道。該分配不僅依賴于頻譜可用性,并且由內部 (也可以是外部)政策決定。③頻譜共享。因為多個認知用戶試圖接入頻譜,應該對認知無線電接入進行調整來防止多用戶在頻譜的重疊部分發生沖突。④頻譜移動性。認知用戶被視作頻譜的訪問者。如果主用戶需要特定的頻譜,該通信在頻譜空閑部分必須是連續的。

3 系統驗證平臺

業務/控制/認知的多平面跨層設計的關鍵問題是,如何確定在協議棧各層間需要傳遞的信息,所選擇的信息不能太復雜,因為這會產生很大時延或大量計算;但也不能太簡單,否則各層無法獲得足夠的信息。另外,跨層設計時需要考慮另一個問題是,協議棧各層獲得其他層的信息后,如何對各層的工作過程進行控制。因此,在對系統進行跨層設計時,就需要引入建模或仿真過程,來輔助設計工作的進行。

在適變的無線認知網絡總體設計思想下,根據無線認知網絡的基礎理論、無線認知網絡體系結構以及網絡自主傳輸、控制與優化的原理和方法,建設認知無線電仿真平臺,驗證并評估相關理論與關鍵技術。并針對無線頻譜資源的管理、調度、協同共享機理等機制,為普適計算環境的建設和應用提供基礎理論和技術支撐。

演示平臺的設計以理論分析為依據,通過建模、仿真、分析,首先設計驗證平臺,再針對平臺得到的數據進行再分析和反饋,指導理論研究,重新修正建模與仿真方法,最終完善設計,從而達到有效評估的目標[12]。結合無線環境的動態變化、無縫接入要求、終端設備功耗和計算能力展開針對性研究并用平臺進行相關的驗證。

圖2 動態資源管理平臺的評價和驗證

資源動態管理和分配實現如圖2所示。資源動態管理由物理網絡管理器、輸出管理器和動態資源管理引擎組成。物理網絡管理器主要包括通信模式,以及對蜂窩系統、城域網系統和短距離系統的網絡描述。輸出管理器主要包括新網絡配置和網絡觀察儀。在動態資源管理引擎中,業務計劃依據端到端效能目標、頻譜數據庫以及約束條件限制,而無線電系統則依據認知無線電模型和電波傳輸模型。其中,消息事件為整個系統的驅動部分。頻譜數據庫為本地頻譜使用的歷史紀錄,為頻譜感知提供參考。

仿真演示平臺不僅將驗證演示新型認知網絡的功能,還將演示現有網絡與基于多平面的認知無線電的融合關系和現有網絡向智能化網絡演進的方案。物理網絡管理器中網絡包括現有的蜂窩網絡 (GSM/GPRS、CDMA2000)、城域網絡 (WiMAX)、短距離無線網絡 (WLAN802.11/b/g/n)以及未來的具有認知功能的網絡等。終端包括現有的各種網絡制式的終端和基于軟件無線電和認知無線電的可重構終端。現有網絡可作為虛擬認知網絡的接入部分,通過智能映射機制,分配統一的網絡標識,進行統一地管理與控制,就可以穿越該網絡訪問不同類型的其他網絡,具有較強的適變性。

4 結 語

根據認知無線電的協同協作機制,建立了頻譜管理的跨層次設計的基本結構和框架。針對跨層設計機制所存在的問題,重點描述了頻譜管理功能和管理步驟,并闡述了系統仿真和驗證的基本工作原理。隨后討論了智能映射機制,并在資源的管理、調度、協同共享的環境下得到應用。

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