认知无线电实验系统终端中嵌入式控制模块的设计与实现硕士论文

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1、硕士学位论文认知无线电实验系统终端中嵌入式控制模块的设计与实现Design and Implementation of Embedded Control Module of Cognitive Radio Experimental System TerminalA thesis submitted toXian Jiaotong Universityin partial fulfillment of the requirementsfor the degree ofMaster of Engineering ScienceByXiaohui Chen (Information and Comm

2、unication Engineering)Supervisor: Associate Prof. Xinmin LuoMay 2008摘 要论文题目：认知无线电实验系统终端中嵌入式控制模块的设计与实现学科专业：信息与通信工程申请人：陈晓辉指导教师：罗新民 副教授摘 要认知无线电（Cognitive Radio，CR）能够感知外部无线环境的变化，通过智能调节通信参数实现频谱的动态利用，解决由静态频谱分配政策导致频谱利用率不均衡的问题。CR通过机会频谱接入，实现认知无线电用户与授权用户的频谱共享，极大的提高频谱利用率，已经引起了国内外众多研究者的关注。但是目前CR的研究中仍存在许多争议，因此有必

3、要研发CR实验系统，用于验证CR的理论，并为CR标准的确立提供参考。论文首先分析了CR实验系统的网络拓扑结构，提出了适用于该网络的协议模型，在此基础上讨论了该模型中区别于其它通信网的物理层、链路层和网络层协议，初步讨论了其中的MAC协议和路由层协议。另外，论文主要完成了CR实验系统终端中嵌入式控制模块的设计与实现。首先从CR实验系统的角度分析了嵌入式控制模块的主要任务，并在此基础上介绍了该模块的器件选型和方案设计。接下来给出了该模块的整体设计方案，设计并实现了该模块硬件系统和软件系统，包括各部分硬件电路设计、软件系统移植以及各部分的系统测试。其次，分析了系统中ARM与DSP的通信需求，完成了两

4、者之间高速数据通信接口的方案设计、具体实现和性能测试。最后，论文完成了CR实验系统集成控制环境的设计。首先介绍了该集成控制环境的设计目的，然后给出了集成控制环境PC端控制台的设计及其与CR终端之间的通信实现，并以控制台对射频前端工作参数的控制实验为例，说明了集成控制环境的工作流程。关 键 词：认知无线电；协议；嵌入式控制模块；集成控制环境；论文类型：应用研究 本研究得到国家高技术研究发展计划（“863”计划）（2005AA123910）资助；陕西省自然科学基金资助（2006F41）项目；陕西省科技攻关计划（2005K04-G11）项目。67ABSTRACTTitle: Design and I

5、mplementation of Embedded Control Module of Cognitive Radio Experimental System TerminalSpeciality:Information and Communication EngineeringApplicant:Xiaohui Chen Supervisor:Associate Prof. Xinmin LuoABSTRACTCR(Cognitive Radio) has the ability to adjust its operating parameters intelligently by sens

6、ing the surrounding wireless environment to achieve the dynamic utilization of spectrum,and solve the disequilibrium of the spectrum utilization caused by static spectrum allocation policy.With opportunistic access to spectrum,CR can greatly improved the spectrum utilization by sharing spectrum betw

7、een cognitive users and authorized users, which attracts widely concern in the world.Nowadays,there are many arguments in the research of CR,so a practical experimental system is required to demonstrate and verify many views,and provide reference for CR studies and standard establishment.Firstly,thi

8、s thesis analyzed the topology of CR experimental system, and proposed the protocol model.On the basis, the distinctive physical,link and network layer protocols of CR model were discussed,and then MAC and routing protocols were preliminarily discussed.Secondly,this thesis accomplished the design an

9、d implementation of the embedded control module of the CR experimental system terminal.Firstly,the schemes and selection of devices were introduced by analyzing the modules main tasks.Then, the specific design was implemented,including circuit designing,software transplanting and system testing. The

10、 design,implementation and performance testing of high-speed data communication interface were also proposed based on analyzing the communication demand between ARM and DSP in CR terminal.Finally, this thesis accomplished the design of the integrated control environment.Firstly,the design purpose wa

11、s introduced,and then,the design of pc-console and the communication between pc-console and CR terminals were introduced.On the basis,the thesis illuminated the workflow of the integrated control environment. Funded by: National High-tech Research and Development Plan(“863”Plan)(2005AA123910),Shanxi

12、 Province Natural Science Fund(2006F41) and Shanxi Province Scientific and Technological Plan(2005K04-G11) KEY WORDS:Cognitive radio; protocol;Embedded control module;Integrated control environmentTYPE OF THESIS: Applied Research目 录目 录1 绪论11.1 认知无线电概述11.2 认知无线电实验系统概述31.3 论文的主要工作和内容安排41.3.1 论文主要完成的工作

13、41.3.2 论文的内容安排42 认知无线电实验系统52.1 认知无线电实验系统的网络拓扑结构52.2 认知无线电实验系统礼仪与协议62.2.1 礼仪与协议概述62.2.2 认知无线电实验系统协议72.3 认知无线电实验系统终端152.3.1 认知无线电终端152.3.2 认知无线电终端的改进设计172.4 本章小结183 认知无线电实验系统终端中嵌入式控制模块的设计与实现193.1 整体结构设计193.1.1 硬件系统设计193.1.2 软件系统设计223.2 硬件电路设计223.2.1 方案设计223.2.2 最小系统接口电路设计253.2.3 人机交互模块电路设计293.2.4 通信模块

14、电路设计313.3 PCB版图及硬件电路的调试333.3.1 PCB版图333.3.2 硬件电路的调试343.4 软件设计373.4.1 启动代码Bootloader的移植373.4.2 嵌入式Linux内核分析和移植383.4.3 根文件系统和Qt/Embedded图形文件系统的移植413.5 系统测试423.6 本章小结424 ARM与DSP通信接口的设计与实现434.1 ARM与DSP通信接口的方案设计434.1.1 需求分析434.1.2 方案确定434.1.3 通信模型的建立454.2 ARM与DSP通信接口的具体实现464.2.1 通信接口的硬件实现464.2.2 硬件电路设计48

15、4.2.3 时序设计494.2.4 软件设计504.3 ARM与DSP通信接口的测试524.4 本章小结525 认知无线电实验系统集成控制环境的设计535.1 集成控制环境总体设计535.2 PC端控制台的设计545.3 PC端控制台与认知无线电终端的通信545.4 集成控制环境的工作流程565.5 本章小结586 结论与展望596.1 结论596.2 后续工作和展望60致 谢61参考文献62附 录64攻读学位期间取得的研究成果66声明CONTENTSCONTENTS1 Preface11.1 Brief Introduction of Cognitive Radio11.2 Brief In

16、troduction of Cognitive Radio Experimental System31.3 Main Work and Content Arrangement of the Dissertation41.3.1 Main Work41.3.2 Content Arrangement42 Cognitive Radio Experimental System52.1 The Network Topology of the CR Experimental System52.2 The Etiquette and Protocol of CR Experimental System6

17、2.2.1 Brief Introduction of Etiquette and Protocol62.2.2 The Protocol of CR Experimental System72.3 CR Experimental System Terminal152.3.1 Experimental System Terminal152.3.2 Improved Design of Experimental System Terminal172.4 Brief Summary183 Design and Implementation of Embedded Control Module193

18、.1 The Overall Structure Design193.1.1 Design of Hardware System193.1.2 Design of Software System223.2 Design of Hardware Circuit223.2.1Scheme Design of Embedded Control Module.223.2.2 The Interface Circuit Design of Minimal System253.2.3 Design of HCI Circuit Module293.2.4 Communication Circuit Mod

19、ule 313.3 Scheme of PCB and Hardware Circuit Debuging333.3.1 Scheme of PCB333.3.2 Hardware Circuit Debuging343.4 Software Design373.4.1 Transplant of Bootloader373.4.2 Analysis and Transplant of Linux core383.4.3 Translant of Root File System and Qt/Embedded413.5 System Testing423.6 Brief Summary424

20、 Design and Implementation of The Interface Between ARM and DSP434.1 Scheme Design of The Interface Between ARM and DSP434.1.1 Analysis of Requirement 434.1.2 Scheme434.1.3 Communication Model454.2 Implementation of The Interface Between ARM and DSP464.2.1 Hardware Implementation464.2.2 Design of Ha

21、rdware Circuit484.2.3 Design of Timing494.2.4 Design of Software504.3 The Interface Testing of The Interface Between ARM and DSP524.4 Brief Summary525 The Integrated Control Environment of CR Experimental System535.1 The Integrated Control Environment535.2 PC-onsole545.3 Communication Between PC Con

22、sole and CR terminal545.4 Workflow of The Integrated Control Environment565.5 Brief Summary586 Conclusions and Expectation596.1 Conclusions596.2 Expectation60Acknowledgements61References62Appendix64Achievements66Declaration 6 结论与展望1 绪论1.1 认知无线电概述随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网络（Wireless Local A

23、rea Network，WLAN）技术、无线个人域网络（Wireless Personel Area Network，WPAN）技术和无线城域网络（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）技术的高速发展，人们对宽带无线应用提出了更高的要求。目前的频谱分配制度为静态频谱分配，将频谱分为2个部分：授权频段和非授权频段。大部分的频谱资源被用来作为授权频段，如电视广播频段。由于WLAN、WPAN和WMAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已趋于饱和。另一方面，相当数量的频谱资源的利用率却非常低。以美国为例，FCC（Federal Communic

24、ations Commission，美国联邦通信委员会）的大量研究表明，一些非授权频段如工业、科学和医用频段以及适于陆地移动通信的2GHz左右的授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲1。来自美国国家无线电网络研究实验床（National Radio Network Research Testbed，NRNRT）项目的一份测量报告表明，3GHz以下频段的平均频谱利用率仅为5.2%1。另有文献2表明34GHz频带利用率只有0.5%，45GHz频带利用率下降到0.3%。为了解决这种频谱利用率不均衡的问题，一种能自动感知所处的频谱环境，通过智能的学习来实时的自适应的调整调制、编码和带宽等传输参数，

25、或者再利用原有指定频段之外的空闲频段，实现多维空间上频谱接入的革命性的智能频谱共享技术认知无线电(Cognitive Radio，CR)3-5，就有了最初的设想，它能够极大的提高频谱利用率。CR的基本出发点6是在不影响授权频段上正常通信的授权用户的基础上，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“机会方式（Opportunistic Way）7”接入授权的频段内，并动态地利用频谱。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空穴（Sprctrum Holes）5”。CR的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空穴”并合理利用的能力。CR的概念最初由Joseph Mitola博

26、士于1999年提出，他认为CR可以使SDR（Software Defined Radio，软件定义无线电）从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理，且SDR是CR实现的理想平台4。认知功能的实现主要是通过无线电知识描述语言(Radio Knowledge Representation Language，RKRL)，采用基于模式的推理方式与网络进行智能交流。Mitola对CR的认识强调其学习和推理能力，认为CR系统能够通过学习，不断感知无线环境的变化，并通过自适应地调整自身内部的通信机制来适应无线环境的变化。相比之下，FCC提出的CR定义更能为业界所接受8。它建议任意无线电只要能够具有

27、自适应频谱感知功能就可称为是“CR”。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用CR技术实现“开放频谱系统”，对于合法的授权用户具有最高的优先权接入频谱，而具有CR功能的非授权用户，可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入可用频谱。目前CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接人无线电等。随着CR的发展，世界各国的频谱管理部门、标准化组织、研究机构和行业联盟纷纷开展相关的研究。近几年一些频谱政策管制部门，如美国联邦通信委员会(FCC)、英国通信办公室(Office of communications，Ofcom)对CR技术给予了积极的支持。2002年12月，FCC指

28、出非授权设备应具备能够识别未占用频段的能力；2003年11月，FCC提出新的量化和管理干扰的指标值干扰温度的概念，以扩展在移动和卫星频段的非授权操作；同年12月FCC成立了CR工作组，明确表示支持CR技术并修正了美国的电波法8；2004年5月FCC建议非授权无线电可使用TV广播频段。与此同时Ofcom也将CR引人其近期的频谱框架概述报告书中。在频谱管理部门的带动下，一些国际标准化组织也开始着手制定相关标准以推动CR技术的发展。IEEE 802.22工作组已将CR技术确立为WRAN（Wireless Regional Area Network，无线区域网）的核心技术9，目标是将分配给电视广播的V

29、HF/UHF频带的空闲频道有效利用作为宽带访问线路。目前该工作组对基于CR技术的物理层与MAC（Media Access Control，媒体接入控制）层标准的制定正在研究中。同时IEEE 802.16工作组也开始考虑制定IEEE 802.16h标准，致力于改进如策略和MAC增强等机制以确保基于WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通）的免授权系统之间的共存，以及与授权系统之间的共存。另外ITU也在努力寻找类似CR的频谱共享技术。国外大学和一些科研机构也开始投入到CR技术的研究当中，并发表一些专著和研究成果，对

30、CR的发展起到了重要的作用。其中具有代表性的是由DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency，美国国防高级研究计划署）资助的下一代无线通信（Next Generation Program，XG）项目，主要研究系统方法和关键技术，以实现基于CR技术的动态频谱应用；2005年开始的自适应自组织网免费频段通信（Adaptive Ad-Hoc Freeband Communications，AAF）项目是荷兰国家资源计划免费频段通信（Freeband Communications）项目的一部分，它利用CR技术对应急网络（火灾现场、空难急救现场等）进行研

31、究10,11；维吉尼亚无线通信技术中心主要关注基于遗传算法的认知模型的研究及CR节点引擎实验床的研发；英国的移动电信技术虚拟中心开始转向CR的研究中，其多模终端研究小组与布里斯托尔大学通信系统研究中心开始联手进行自适应射频技术的研究；欧洲通信协会资助的DRiVE、OverDRiVE和TRUST项目主要关注在混合的多无线电网络中频谱的动态分配和流量控制，该协会同时资助的端到端重配置网络研究(E2R)项目主要研究如何通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来，对基于CR应用的市场模型、CR网络的定价策略和计费策略也进行了初步研究；此外，美国加州大学伯克利分校、荷兰的代尔夫

32、特大学、德国柏林技术学院等也有关于CR方面的研究。近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，包括西安交通大学、电子科技大学、清华大学、香港科技大学及西安电子科学技术大学等。国家863计划基金在2005年首次支持了CR关键技术的研究。研究课题主要集中于CR系统中的合作及跨层设计技术、空间信号检测和分析及QoS保证机制、实验系统的研制等。目前，CR技术的研究大都集中在物理层和MAC层的功能上，如频谱感知技术、频谱管理技术和频谱共享技术12。这些方面的研究已经取得了重要的进展，对于更高层，如网络层、传输层和应用层的技术，虽然还没有深入的研究，但是已引起了研究人员越来越多的关注。同样，CR的安全技术

33、和CR的跨层设计也需要进行深入的研究。1.2 认知无线电实验系统概述随着CR相关技术的研究，相应实验系统的研究和开发也取得了一些进展。如DARPA的XG项目设计了自适应频谱系统原型，目标是使频谱的利用率增加10倍13；MITRE公司研发了自适应频谱无线电（Adaptive Spectrum Radio，ASR）实验床，成功验证了自适应频谱接入的可行性；维吉尼亚无线通信技术中心研究并设计了CR仿真实验椅和硬件实验床，基于生物启发的CR引擎节点正在研发中14；伯克利大学建立了伯克利仿真平台(Berkeley Emulation Engine，BEE2 )，对各种频谱侦听技术和算法进行了实验仿真和性

34、能分析15等。本项目组在国家“十一五”863高技术研究发展计划项目“CR技术研究”课题支持下，于2006年完成了第一版的CR实验系统，实现了CR终端间的点对点通信，能对电视频段的授权用户进行检测并进行工作频段的切换，具备了对CR基本概念及关键技术进行验证的能力。但是，第一版CR实验系统仍存在系统结构简单、功能单一等缺陷。鉴于此，项目组设计了第二版CR实验系统。第二版CR实验系统终端在结构上做出了较大的改变，由DSP+FPGA的架构升级为ARM+3DSP+FPGA的架构，它能充分利用ARM的控制能力和3DSP+FPGA的数据处理能力，大大的提升了系统的性能，同时也能很好的解决第一版实验系统存在的

35、问题。第二版实验系统中增加ARM控制模块后，CR终端成为一个典型的嵌入式系统。它非常类似于目前通用的智能手机系统，都包括嵌入式控制单元和数据处理单元这两大核心。嵌入式系统研究是后PC时代研究的热点，它正处于高速发展阶段，包括微处理器、外部配套芯片以及嵌入式软件发展都非常的迅速。嵌入式处理器目前主流的应用已经从ARM7转向ARM9，甚至更高的ARM10、ARM11，处理器的处理能力也越来越强；嵌入式操作系统也从简单的多任务操作系统发展到实时多任务操作系统。本系统中嵌入式微处理器采用主频最高达266MHz的ARM9处理器：S3C2410A；数据处理器采用TI的高端DSP：TMS320C6416T，

36、其主频最高达720MHz。FPGA采用Altera公司的高端Stratix2s30F672C5。1.3 论文的主要工作和内容安排1.3.1 论文主要完成的工作本文是在国家高技术研究发展计划(“863”计划) (编号：2005AA123910)的资助下完成的。本文作者参与了“认知无线电技术研究”项目的研究工作，参与了第二版实验系统的设计与实现，目前该实验系统工作正常。论文主要完成的工作包括：1） 对CR技术提出的背景，CR的概念，所涉及的主要研究内容进行了广泛的了解和学习。参考已有的通信协议，提出了适合CR实验系统的协议模型，并对协议模型中物理层、链路层和网络层进行了相关的讨论，为正在扩充的CR

37、协议提供参考。2） 设计与实现第二版CR实验系统终端中嵌入式控制模块。完成了芯片选型、方案设计以及具体实现，具体包括硬件部分：原理图设计、PCB制作、电路板焊接和调试；软件部分：Bootloader、嵌入式Linux操作系统、根文件系统、外围设备驱动和Qt/Embedded图形文件系统的移植。3） 设计与实现ARM与DSP的通信接口。完成基于HPI32模式下的通信接口方案设计、硬件实现和性能测试。4） 设计完成了CR实验系统集成控制环境。实现了用户对CR终端工作参数的控制以及数据的通信。5） 通过论文的研究和积累，与2008年6月在电讯技术发表一篇题目为“基于ARM+DSP的认知无线电终端的设

38、计”的文章。1.3.2 论文的内容安排第一章介绍了CR技术提出的背景，概念，它的主要研究内容以及研究现状。给出了CR实验系统的研究现状分析，并介绍了课题背景以及论文的工作和结构安排。第二章首先给出了基于有中心控制的分布式的CR实验系统网络拓扑结构，并在此基础上讨论了适合本实验系统的协议模型；其次结合第一版CR实验系统终端存在的缺陷，提出了一种全新的ARM+3DSP+FPGA架构，并分析了增加以ARM9为核心的嵌入式控制模块所带来的终端性能改进。第三章详细分析了CR实验系统终端中嵌入式控制模块的设计与实现。分别就该模块的硬件、软件设计做出了详细的描述，同时对该模块的软、硬件系统进行了测试。第四章

39、介绍了ARM和DSP的高速数据通信接口的设计与实现。首先分析了CR终端中ARM与DSP之间的通信需求和方案，在此基础上确定了基于HPI通信接口作为ARM与DSP的高速数据通道，最后给出了该通信接口的详细设计并测试了其性能。第五章介绍了CR实验系统集成控制环境的设计与实现。分析了集成控制环境主要任务、PC端控制台的设计及其与CR终端的通信。同时举例说明了集成控制环境的具体工作流程。第六章对论文工作的总结和下一步工作的展望。方程段(下一个) 部分 12 认知无线电实验系统2.1 认知无线电实验系统的网络拓扑结构CR实验系统网络采用集中式与分布式网络结合的混合网络结构，即有中心控制的分布式网络结构，

40、其基本构成元素为CR终端、中心和电视信号发射塔。CR实验系统由多个CR小区构成，每个小区由一个中心和多个CR终端组成。CR终端和中心均匀分布在服务区内。一个CR小区定义为：它由中心和附属的CR终端构成，CR终端受该中心控制。小区的覆盖范围是中心发出的信号能够被其附属的CR终端接收到并保证满足最小的SINR（Signal-to-Interference and Noise Ratio，信干噪比）要求的所有位置。简化CR实验系统网络拓扑结构如图 21中所示。CR实验系统使用的频段是西安当地2640号电视频道，频率范围从614734MHz，共120MHz的带宽。任何两个CR用户的通信都采用FDD双工

41、方式，多个用户采用FDMA方式实现多址，每个CR用户上下行分别占用8MHz频率资源。图 21 CR实验系统的网络拓扑结构与其它传统的通信网络相比，CR实验系统网络具有以下显著特点：1） 分层的网络结构CR实验系统网络采取分层的网络结构，由CR终端层、中心层和更高层组成。CR终端层为系统的最底层，该层中的CR终端受小区内的中心控制，响应中心的控制完成通信、频谱检测、频谱切换等功能。中心层位于CR终端层的上一层，由各小区的中心组成，中心控制小区内所有附属的CR终端的活动，主要负责频谱资源的分配、呼叫接续的控制和CR终端之间通信的路由选择等。更高层主要用于大规模网络的组建，负责完成对各中心通信中继和

42、管理，目前在实验系统中暂不考虑该层。2） 有控制中心CR实验系统网络采用有控制中心的结构，小区中的中心作为小区的控制中心，控制和管理小区内的所有活动，但它仅作为小区的控制中心，并不作为小区内CR终端通信的中继。3） 多跳路由CR实验系统网络中，CR终端的覆盖范围是有限的。当要与其覆盖范围之外的CR终端进行通信时，需要中间终端的转发，即CR终端之间的通信采取多跳的通信方式，因此CR终端除了要完成正常的功能外，还需要具有数据转发能力。4） 频谱感知CR设备能够感知周围无线环境的变化，动态的选择合适的工作频段。根据Fatih Capar等人在文献16中对CR的定义，CR设备具备检测出某个频段是否被授

43、权用户所占用，即该频段是否为频谱空穴的能力。如果确定该频段为频谱空穴，CR设备可以使用该频段作为自己的工作频段，一旦发现授权用户重新开始工作，则必须能够及时退出该频段，在下一个频谱空穴上继续工作。5） 无线参数的自适应调整CR设备能够根据可用的频谱空穴调整无线传输参数。由于CR链路的传播状态始终处于不断的变化中，这就使CR链路的服务质量和系统的网络拓扑结构也不断地发生变化，因此CR设备必须能对其无线参数，如：发射功率、调制方式和编码方式，进行自适应调整，以尽可能地减小对授权用户可能造成的干扰，同时保证网络的连通性，为用户提供端到端服务质量保证。6） 功率控制CR设备能够在通信过程中在不同的功率

44、水准之间切换。采用CR技术实现频谱共享的前提必须保证对授权用户不造成干扰，而每个CR设备的发射功率是造成干扰的主要原因，因此CR设备需要能够自适应的调整其发射功率，避免对授权用户造成干扰的前提下，达到高效的频谱利用。2.2 认知无线电实验系统礼仪与协议2.2.1 礼仪与协议概述CR实验系统礼仪与协议是一整套用于规范CR实验系统进行有序工作的礼仪规则，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CR的频谱共享提供规范。CR实验系统礼仪与协议用于在频

45、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。频谱租用程序是一种类似于握手协议的协商程序。频谱出租者首先发送出租频谱的信号，里面包含一些诸如频率、带宽、可以使用的时间段以及价格等相关信息；租用者在收到信号后，给对方发送意向信号，里面列举了自己所希望达到的要求；双方经协商后，最后达成一致，从而完成一个简单的频谱租用程序。同理，也可以反过来，由租用者事先发出频谱需求信息。用户优先级策略是为了提高频谱管理的高效性和保障社会通信的有序性。应急服务、政府部门、商业客户及个体用户等各种用户应该具有不同的优先级。例如应该首先考虑警方、消防和医疗急救等社会

46、紧急事务，把他们的优先级设定为最高。现有的频谱分配特征确定了默认的频谱使用优先级。通过频谱管理者的授权可以改变全局或局部的优先级。这个协议允许分配一个用户、一个频道或者一个有特别优先级（用户、时间、空间和频率）的组合。CR为人性化服务提供了巨大的潜能，但是频谱共享礼仪规则的制订十分耗费人力。部分原因是由于没有统一的表示无线电知识的方式，限制了CR对网络和用户的响应。RKRL可能会有助于更好地提高该过程的自动化。2.2.2 认知无线电实验系统协议为使系统协议的设计和实现得以简化，做出以下假设：1） 系统工作频段为VHF/UHF频段，且此频段内授权用户工作的持续期远远大于系统检测授权用户所需要的时

47、间；2） 授权用户的服务区域远远大于本系统的服务区域，因此授权用户发射的信号在本系统服务区域以内可以近似认为是均匀的，因此没有隐藏终端和暴露终端的问题，单个CR终端对授权用户的检测具有相当高的精度；3） 各CR小区都存在重叠区，并且重叠区域内都存在CR终端。根据CR实验系统网络的特征，参考OSI的经典7层协议模型和TCP/IP的体系结构，可以建立5层CR实验系统协议模型。如图 22所示。图 22 CR实验系统协议模型在CR实验系统协议模型中，各层的功能描述如下：1） 物理层物理层主要完成对无线信道的处理，包括信道的区分和选择、分配/切换、信号检测和调制/解调等功能。CR实验系统的物理层区别与其

48、他通信系统的主要特征是频谱感知功能，它能够进行频谱空穴的检测，确定哪一部分频谱是可用的，当用户在授权频段上工作时检测授权用户的出现，并将检测结果通知链路层。2） 链路层链路层可以分割为两个不同的子层：信道接入的MAC子层和链路控制的逻辑链路控制子层。MAC子层规定了不同的用户如何共享可用的媒体资源，即控制CR终端对共享无线信道的访问，包括逻辑信道的划分和分配。该层主要解决实验系统的核心问题频谱共享，它主要包括动态频谱分配和动态频谱接入。频谱共享既包括认知用户与授权用户的频谱共享，也包括认知用户之间的频谱共享。频谱分配与接入的公平性和通信开销也是要考虑的问题。链路控制子层负责通信链路的建立、维护

49、、切换、释放等相关操作，并向网络层提供统一的服务，屏蔽底层不同的MAC方法。3） 网络层网络层的主要功能包括路由发现、分组传输和网络互联等功能，其中路由发现的作用是发现和维护去往目的地的路由。分组传输是通过确定的路由将数据传输到目的地。由于CR网络中频谱在时间和空间上的间断性，网络拓扑结构和节点间的连接性与传统的网络有很大的不同。相邻节点可能因工作在不同的信道上无法通信，正在通信的节点对也可能因授权用户的出现而中断连接。因此，CR实验系统网络的路由设计面临传统网络所没有的挑战。4） 传输层传输层的主要功能是向应用层提供可靠的端到端的服务，使上层与通信子网（下三层的细节）相隔离，并根据网络层的特

50、性来高效的利用网络资源。由于CR设备可能在通信过程中使用多个信道的特性，导致通信过程中的链路往返时间产生变化，另外，由频谱切换引入的频谱切换时延也会对链路往返时间产生影响，这些因素都可能导致重传超时，传统的TCP协议的拥塞控制机制可能会重传实际上并没有丢失的数据包，造成端到端的吞吐量下降。因此，CR实验系统网络需要设计新的传输层协议来解决这些问题。5） 应用层应用层向用户提供各种应用服务。可根据用户的需要提供各具特色的应用层服务。由图 22的协议模型看到，频谱管理功能是该协议的重要组成部分。在频谱管理功能中，考虑到频谱的动态特性，应用层、传输层、网络层、路由层、介质接入层和物理层的功能都以合作

51、的方式实现。频谱管理功能主要包括频谱感知、频谱分析、频谱决策、频谱共享和频谱切换，解决如何发现在时域、频域和空域上的频谱空穴、如何对频谱空穴的频谱特征进行频谱分析、如何基于频谱分析对频谱空穴的描述，进行频谱决策以选择合适的工作频段、如何解决动态频谱分配和动态频谱接入的问题和如何确保频谱切换时更加平稳和快速，使得认知用户在频谱切换时性能下降达到最小的问题。由于CR实验系统网络需要动态使用频谱的通信方式实现，使得CR实验系统与其它通信系统在协议上存在较大的不同，下面分别对协议中的物理层、链路层和网络层进行分析。1） 物理层CR实验系统终端的物理层要求有可靠的空闲频谱检测和可靠的对授权用户信号的检测

52、。因此CR实验系统终端的物理层必须具备宽带的感知前端和授权用户信号的检测器，准确的检测频谱空穴信息和授权用户的出现。同时能够接收上层信息，调整其工作参数。为了满足CR技术的特点要求，物理层的设计包括可扩展性的调制和编码方式、频谱感知和动态频谱接入、链路间的功率控制等。本系统采取OFDM调制方式、星座图映射方式是QPSK或者16QAM，甚至更高的64QAM、低密度奇偶校验码（LDPC）和Turbo码等信道编码技术等以适应不断变化的无线信道环境。CR实验系统的具体参数如表 21所示。表 21 CR实验系统参数系统参数名称参数值组网方式有中心的分布式网络（混合式）小区覆盖范围300m（半径）双工方式

53、/多址方式FDD/FDMA星座图映射QPSK/16QAM调制方式OFDM（64256）信道编码方式LDPC/Turbo频谱感知方式能量感知/信道特征感知基带信息传输速率6.4Mbps模拟中频频率36MHz射频工作频段614734MHz信道上下行间隔32MHz信道带宽8MHz2） 链路层链路层按功能分为MAC子层和链路控制子层。MAC主要解决授权用户与CR用户之间、以及CR用户间的媒介访问冲突；链路控制子层主要解决通信链路的建立、切换和释放等相关过程。根据CR实验系统网络17的特性，使得传统的MAC协议将不再适用，因此需要重新考虑适合CR实验系统的MAC协议。Pawelczak等人提出了一个简单

54、的CR MAC协议18，将IEEE 802.11标准的MAC协议进行了改进，使得该协议适用于Ad Hoc CR应急网络。本文主要讨论基于IEEE 802.22协议19的MAC。基于CR的MAC层需要对变化的无线环境及时做出反应。除了要求它能提供传统的MAC服务外，CR的MAC必须能够提供一套全新的机制来保证系统在TV频带有效工作。也就是说需要提供与授权用户共存、授权用户保护等机制。同时，频谱管理与检测、功率控制也是MAC层的功能。MAC中控制信令信道下行介质接入方式是时分复用（TDM），而上行是时分多址（TDMA）。在MAC中，中心管理控制小区内的所有活动及所属的CR终端。下面主要描述CR实验

55、系统MAC协议各部分功能单元。（1） 接入初始化接入初始化的时候，中心要参考TV信道的使用数据库和区域内的其它中心的信息数据库，通过频谱空穴的检测来发现空闲信道，并在固定的控制信令信道上开始服务。当CR终端开机后，它首先扫描所有的电视信道，建立一张频谱占用图表标识每个信道来确定是否有授权用户被检测到，同时将该信息通过固定的控制信令信道上传送给中心。CR终端可以使用该信道与中心建立同步，然后从中心获取上、行控制信令信道的传输参数，执行协商基本容量、授权、注册等一系列操作。最后得到中心分配的业务信道，在业务信道上完成与其它CR终端的通信。（2） 频谱感知和管理MAC层的频谱感知与管理单元用于保证C

56、R设备的运行不会对授权用户造成干扰。中心指导它所管理的CR终端执行周期性的频谱检测活动，包括带内检测和带外检测。带内检测是检测CR终端正在使用的信道，而带外检测是检测其它信道，用于选择合适的备用信道。中心发出的检测要求和CR终端发回的检测回应之间是一对一的通信。同时，为了提高系统性能，中心并不需要每个CR终端都执行相同的检测活动，相对应的，中心根据合作算法将检测任务分配给各个CR终端，然后汇集各检测结果形成频谱占用图，同时中心对结果进行分析，必要时改变工作参数。MAC层除了支持上述功能，同时也支持诸如切换信道、重启信道和分配信道等信道管理功能。通过这些功能，MAC能够有效地保证授权用户不受干扰

57、，实现网络共存、合作与共享。（3） 功率控制CR实验系统中同时存在着CR终端之间点对点的数据通信和CR终端与中心之间的信令信息通信，因此对数据链路和信令链路分别进行功率控制。控制链路的功率控制可以采用蜂窝网常用的方式，具体分为上行链路功率控制和下行链路功率控制，两者独立进行。上行链路功率控制的目的是调整CR终端的发射功率，在确保中心获得稳定的接收信号强度前提下降低移动台功耗；下行链路功率控制是调整中心的发射功率，使CR终端获得稳定的接收信号强度，同时降低功耗。上下行链路的功率控制都可通过开环或闭环的控制方法来实现。数据链路用来完成CR终端间的数据传输。功率控制方式可分为中心集中式控制和CR终端

58、分布式控制两种。中心进行集中功率控制时，由于数据通信采用点对点的方式，因而中心不能通过与CR终端间的上下行链路确定CR终端之间的数据链路状态。中心控制的精度依赖于CR终端提供的无线环境信息。当CR终端密度较大时，可提高无线环境信息准确度，但增加了功率控制算法的复杂度。CR终端进行分布式的功率控制，采用博弈的方法，解决多组用户在功率资源分配中的竞争与合作问题，使用户达到目标信噪比的同时尽可能降低发射功率。链路控制子层主要解决通信链路的建立、维持、切换和释放等相关过程。具体过程如图 23图 24图 25所示。（1） 通信链路建立通信链路的建立包括请求通信、寻呼、接入和通信的过程。图 23 通信链路

59、建立流程主叫终端首先在控制信道上发送建立请求消息，并等待中心的确认消息，请求消息中包含被叫终端的身份信息。中心收到主叫终端的建立请求消息后，检索频谱资源数据库和终端状态数据库，如果可用的频谱空穴足够多（至少三个），并且被叫终端处于待机状态，在控制信道上发送确认消息，表明主叫终端的建立请求已经通过，同时给主叫终端分配工作频段。主叫终端在收到中心的确认消息和频段消息后，通过寻呼信道向被叫终端发起寻呼。被叫终端在收到主叫终端的寻呼消息后，向中心发送请求建立消息，并等待中心发回的确认消息和频段消息，然后在寻呼信道向主叫终端发送寻呼响应消息。这里假设在短时间内系统的频谱资源不变，即在通信建立过程中分配给

60、主被叫终端的工作频段是一致的。接下来主叫终端在接入信道向被叫终端发送通信确认消息，被叫终端在收到主叫终端发来的通信确认消息后，发回确认消息，表明通信已经准备就绪。至此主被叫双方可以在建立的业务信道上进行通信，首先主被叫双方会分别在业务信道上发送前导帧，用于测试业务信道的质量。如果测试表明该业务信道质量良好，则业务信道建立完毕，否则建立失败，请求重新建立。之后，主被叫终端双方就可以进行通信，通信链路建立结束。（2） 链路切换链路切换是由于CR终端在工作的过程中由于授权用户的出现而切换工作频段，合理避让授权用户，保持顺利通信的过程。图 24 通信链路切换流程通信过程中，如果主被叫终端有一方监听到业

61、务信道出现授权用户，首先在控制信道向中心发送请求切换消息，并等待中心发回的确认消息和重新分配的工作频段（备用频道）。主被叫终端在收到中心分配的新工作频段后，重新在新的工作频段上建立通信链路。在新的工作频段上通信建立后，继续上一次被中断的通信。需要指出的是，不论主被叫终端有一端检测到授权用户的出现，双方都必须及时退出该频段，并且在中心重新分配的新工作频段上继续通信。假定冲突发生后，中心找不到分配给终端新的工作频段时，也必须进行切换。（3） 链路释放链路释放是CR终端之间通信结束后释放传输的过程，分主被终叫端发起链路释放请求的先后顺序（主要区别是流程方向相反）。图 25 通信链路释放流程主叫终端先

62、发起链路释放请求的情况下，主叫终端在控制信道向中心发送释放消息，并在收到中心发回的确认消息后，在寻呼信道上向被叫终端发送释放消息。被叫终端收到主叫终端发来的释放消息后，向中心发送释放消息，等待中心的确认消息。在收到中心的确认消息后向主叫终端发送释放响应消息，同时释放通信链路。主叫终端收到被叫终端的释放响应消息后，释放通信链路。至此，链路释放流程结束。如果被叫终端先发起链路释放请求，链路释放流程与上述过程相反。3） 网络层在CR实验系统中引入多跳的通信方式，同样对网络层的路由协议带来了较大的影响。传统的路由指标如跳数、时延、拥塞等作为路由选择的依据已不够充分，所以对于CR网络需引入新的路由指标，

63、如信道切换数、信道切换频率等。Krishnamurthy等人在参考文献20中相应提出两种新的路由策略：基于最小时延路由和基于最少信道切换频率路由。另外，一般的多跳网络在发送数据包时需要预先确定通信路由，采用CR技术后，因来自周围无线系统的干扰波动较大，需要不断地更改路由，因此用于多跳网络中的传统路由技术不再适用。针对这种情况，Fujii等人提出了采用空时块码(Space Time Block Code，STBC)分布式自动重传请求(Automatic Repeat Request，ARQ)技术21，利用包的重传来代替路由技术。该方法可根据周围的环境，避开干扰区域，自适应的选择路由。同时，由于CR技术需要根据周围无线环境的变化动态地进行频率选择，而频率的改变通常需要上层协议如路由协议等进行相应的调整，根据频谱变化自适应地路由选择的频谱感知路由协议也是目前研究的重点。注意到路由选择和频谱管理之间强烈的相互依赖，可以研究二者之间的交互和相应性能与复杂度的平衡，即跨层设计路由。在跨