认知无线电网络架构与协议体系

摘要：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的无线局域网(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。

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。Joseph Mitola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。

1.1 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[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。

1.2 无线区域网

基于IEEE 802.22标准[4]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。

1.3 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。

2 协议体系

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。

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。

2.1 CORVUS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。

2.2 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[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。

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。

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。

2.3 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。

IEEE 802.22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用户的结果不确定性。为了克服这一系列问题，有必要联合位于不同位置的多节点进行分布式地联合检测。可能的合并算法包括："与"、"或"和"K秩"等。

MAC协议方面，主要参照应用于固定宽带无线接入的IEEE 802.16标准，并根据WRAN的特点与要求做了相应的修改与扩展，并将该MAC协议成为认知MAC协议。在对认知无线电系统极为重要的频谱管理方面，MAC协议中不仅引入了使得WRAN各覆盖区域相重叠的BS能更加有效地共享无线频谱的共存信标协议，同时在MAC层的功能中加入了信道管理和测量功能以更加灵活有效地实现频谱管理。与IEEE 802.16一样，WRAN采取面向连接的通信机制，从而便于提供灵活的QoS服务。协议支持单播，多播和广播服务，并采用联合接入方案以在满足延迟与带宽要求的同时，对用户间的连接进行有效的管理与控制。这主要通过４种不同的上行调度机制来完成，而这４种调度机制又通过主动带宽获取、投票选举和竞争３个过程来实现。

IEEE 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。

3 结束语

认知无线电网络架构与协议体系的设计无论是理论研究还是实际应用都具有很高的价值，目前学术界和工业界有关这方面的理论研究及标准制定正在进行，且取得了一些成果。有理由相信随着技术的发展和认知无线电网络的更广泛应用，网络架构与协议体系的研究将得到更大的发展，并被应用到实际系统当中。

4 参考文献

[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.