认知无线电体系

认知无线电网络架构

Architectures of Cognitive Radio Networks

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。

关键字:认知无线电；网络架构；网络协议

英文摘要: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.

英文关键字:cognitive radio; network architecture; network protocol

基金项目：国家“863”计划(2005AA123910)

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，