摘  要： 針對(duì)目前認(rèn)知無(wú)線電概念較少付諸實(shí)施的實(shí)際情況，對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中非授權(quán)用戶(hù)接入頻譜空隙的具體方法進(jìn)行研究，提出一種基于載波檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案。認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio,CR）的學(xué)習(xí)能力是使它從概念走向?qū)嶋H應(yīng)用的真正原因。有了足夠的人工智能，它就可能通過(guò)吸取過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)實(shí)際的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)包括對(duì)死區(qū)、干擾和使用模式等的了解。這樣，CR有可能賦予無(wú)線電設(shè)備根據(jù)頻帶可用性、位置和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)自主確定采用哪個(gè)頻帶的功能。隨著許多CR相關(guān)研究的展開(kāi)，對(duì)CR技術(shù)存在多種不同的認(rèn)識(shí)。典型的一類(lèi)是圍繞Mitolo博士提出的基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式推理的認(rèn)知循環(huán)模型來(lái)展開(kāi)研究，他們強(qiáng)調(diào)軟件定義無(wú)線電（Software Defined Radio,SDR）是CR實(shí)現(xiàn)的理想平臺(tái)。

認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio,CR）的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其思想是CR具有學(xué)習(xí)能力，能與周?chē)h(huán)境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。認(rèn)知無(wú)線電又被稱(chēng)為智能無(wú)線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特征，通過(guò)感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)（比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)變化，從而實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信以及對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有限的無(wú)線頻譜資源進(jìn)行高效地利用。認(rèn)知無(wú)線電的思想就是通過(guò)頻譜感知（Spectrum Sensing）和系統(tǒng)的智能學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配（DSA:dynamic spectrum allocation）和頻譜共享（Spectrum Sharing）。

　　1 硬件平臺(tái)的建立

該認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的通信架構(gòu)。UCR表示授權(quán)用戶(hù)，F(xiàn)1是它的授權(quán)頻率；CR表示非授權(quán)用戶(hù)，CR_Tx為非授權(quán)用戶(hù)的發(fā)送方，網(wǎng)絡(luò)中非授權(quán)用戶(hù)的智能接入功能由其完成；CR_Rx為非授權(quán)用戶(hù)的接收方，其主要任務(wù)是準(zhǔn)確接收來(lái)自發(fā)送方的數(shù)據(jù)。Fn為可變頻率，在UCR沒(méi)有使用F1時(shí)，CR用戶(hù)可以使用F1;否則，CR用戶(hù)應(yīng)避開(kāi)這個(gè)頻率。由于本次研究的頻率是433.0 MHz免許可申請(qǐng)頻帶，所以選用了可工作在433/868/915 MHz的nRF905射頻發(fā)射模塊。為了直觀非授權(quán)用戶(hù)的工作性能，硬件上添加了液晶顯示器，該顯示器與按鍵相結(jié)合構(gòu)成了人機(jī)交互界面。該型號(hào)單片機(jī)龐大的內(nèi)存空間為以后系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了方便，滿足了設(shè)計(jì)的需要。

MSP430F2418、nRF905以及液晶顯示器的硬件連接，省略了按鍵部分。CPU主要通過(guò)P2、P3口來(lái)操作nRF905內(nèi)部寄存器，使其工作于不同的工作狀態(tài)下。認(rèn)知用戶(hù)發(fā)送方和接收方都需要對(duì)當(dāng)前設(shè)置的頻率段進(jìn)行頻譜檢測(cè)，以確定頻譜空洞和選擇載波頻率，而這一切都是基于MSP430F2418對(duì)nRF905模塊CD引腳上信號(hào)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于液晶顯示器，CPU主要通過(guò)P5口低四位以及P4口來(lái)控制。另外，省略的按鍵與液晶顯示器相結(jié)合構(gòu)成一個(gè)人機(jī)交互界面，可以設(shè)置該網(wǎng)絡(luò)工作于不同頻段。

　　2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　2.1 自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議

通信協(xié)議（communications protocol）是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式，信息單元應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時(shí)序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。

在計(jì)算機(jī)通信中，通信協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接之間的標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)如果沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議，電腦之間的信息傳遞就無(wú)法識(shí)別。 通信協(xié)議是指通信各方事前約定的通信規(guī)則，可以簡(jiǎn)單地理解為各計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行相互會(huì)話所使用的共同語(yǔ)言。兩臺(tái)計(jì)算機(jī)在進(jìn)行通信時(shí)，必須使用的通信協(xié)議 .

由于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、靈活、智能的特點(diǎn)，因而對(duì)通信協(xié)議的要求比較高，要求協(xié)議能自適應(yīng)于因終端變動(dòng)、無(wú)線環(huán)境變動(dòng)而帶來(lái)的可用頻譜資源的動(dòng)態(tài)變化以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。尤其不能因?yàn)榭捎妙l譜資源的改變中斷非授權(quán)用戶(hù)的正常通信。為此，需要改進(jìn)現(xiàn)有的通信協(xié)議，并且考慮物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的跨層設(shè)計(jì)問(wèn)題。

為了避免停等協(xié)議中數(shù)據(jù)幀重發(fā)冗余的問(wèn)題，發(fā)送方為每幀數(shù)據(jù)編上了一個(gè)序號(hào)。接收方通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)序號(hào)的判斷，以確保只接收當(dāng)前想要的數(shù)據(jù)幀。

為了提高收發(fā)數(shù)據(jù)的正確率，除了nRF905的CRC校驗(yàn)碼之外，設(shè)計(jì)中還將非授權(quán)用戶(hù)之間收發(fā)的數(shù)據(jù)塊個(gè)字符標(biāo)志為'R'.接收方接收數(shù)據(jù)時(shí)只在個(gè)字符'R' 校驗(yàn)正確時(shí)才保存該數(shù)據(jù)。

　　2.2 發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送和協(xié)議解析

非授權(quán)用戶(hù)的發(fā)送方具有感知能力，該認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的智能接入功能即由其來(lái)實(shí)現(xiàn)。在初始化完成之后，發(fā)送方需要對(duì)當(dāng)前設(shè)置的頻率段進(jìn)行頻譜檢測(cè)[3-5],將處于忙碌狀態(tài)與閑置狀態(tài)下的頻點(diǎn)分開(kāi)，進(jìn)而在閑置的頻點(diǎn)中找出一個(gè)的頻點(diǎn)。頻點(diǎn)找到后，發(fā)送方接著發(fā)送握手信息。在沒(méi)有收到對(duì)方應(yīng)答信號(hào)之前，發(fā)送方會(huì)一直處在握手狀態(tài)。收到對(duì)方的應(yīng)答信號(hào)之后，發(fā)送方才進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。在這個(gè)階段中，發(fā)送方每發(fā)完一幀數(shù)據(jù)后都要對(duì)當(dāng)前使用的中心頻率進(jìn)行檢測(cè)。若檢測(cè)到授權(quán)用戶(hù)仍然沒(méi)有使用該頻率，則發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送剩余數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳送完畢。若發(fā)送方檢測(cè)到當(dāng)前中心頻率正被授權(quán)用戶(hù)使用，則應(yīng)及時(shí)避開(kāi)這個(gè)頻點(diǎn)，重新尋找新的頻譜空隙建立起通信系統(tǒng)。

　　2.3 接收方的數(shù)據(jù)接收和協(xié)議解析

接收方的基本任務(wù)是接收數(shù)據(jù)并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。在沒(méi)有等到非授權(quán)用戶(hù)握手信號(hào)之前，接收方會(huì)在各個(gè)頻率點(diǎn)上進(jìn)行循環(huán)掃描檢測(cè)。若在某個(gè)頻點(diǎn)上檢測(cè)到有載波存在，接收方就試著去握手。如果握手失敗，接收方就變換頻點(diǎn)繼續(xù)檢測(cè)。一旦握手成功，接收方就開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。在數(shù)據(jù)接收階段，如果發(fā)送方頻率保持不變，接收方就可以在無(wú)需變頻的情況下完成所有數(shù)據(jù)的接收。但如果發(fā)送方在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中切換了頻率，那么接收方在原來(lái)的頻率上已經(jīng)收不到數(shù)據(jù)信息，需要退出數(shù)據(jù)接收狀態(tài)重新進(jìn)行循環(huán)掃描檢測(cè)，再次握手成功后繼續(xù)接收剩下的數(shù)據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)序號(hào)錯(cuò)位，理論上發(fā)送方與接收方使用的頻率相同，則只需要調(diào)整步伐。經(jīng)測(cè)試，非授權(quán)用戶(hù)接收方工作穩(wěn)定。出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)位時(shí)，程序可以根據(jù)自定義的協(xié)議自動(dòng)調(diào)整步伐，確保每幀數(shù)據(jù)被正確地接收。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 程序流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)調(diào)試。非授權(quán)用戶(hù)發(fā)送方與接收方從頻率選擇到發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程，省略了液晶顯示器部分。

　　3.2 頻點(diǎn)選擇算法

由于各個(gè)頻譜空隙周?chē)沫h(huán)境狀況不一樣，為了盡量避免與其他用戶(hù)載波之間的干擾，非授權(quán)用戶(hù)需要從若干個(gè)頻譜空隙中找出頻點(diǎn)。

以下程序是對(duì)分析得到的閑置頻率數(shù)組與忙碌頻率數(shù)組進(jìn)行的處理。該算法預(yù)先定義了3個(gè)數(shù)組，分別存放相鄰兩邊頻率都空閑的頻率，相鄰一邊頻率空閑的頻率以及相鄰兩邊都忙碌的頻率。分類(lèi)的算法如下：將閑置頻率數(shù)組中的所有數(shù)值依次加上和減去5×againflag（相鄰頻率控制字之間的步距為5,againflag為重復(fù)分類(lèi)的次數(shù)，初始值為1），得到的兩個(gè)值與忙碌頻率數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，按照兩個(gè)數(shù)值匹配的情況，將當(dāng)前這個(gè)頻率分配到預(yù)先定義的相應(yīng)的數(shù)組里。返回值的選擇方法如下：在分類(lèi)之后，若相鄰兩邊頻率都空閑的頻率只有一個(gè)，那就直接返回這個(gè)頻率值；若不存在，則返回一邊頻率空閑的頻率；如果還是不存在，就返回相鄰兩邊頻率都忙碌的頻率。如果在輪分類(lèi)之后，相鄰兩邊頻率都空閑的頻率不只一個(gè)，則需要進(jìn)行第二輪分類(lèi)，直到找出的頻點(diǎn)為止。在出現(xiàn)某段頻率都空閑的特殊情況下，程序返回了這段頻率中間的一個(gè)值。

　　3.3 收發(fā)頻率設(shè)計(jì)

在通常情況下，發(fā)射天線周?chē)嬖诟鞣N障礙物。如果收發(fā)頻率相同，那么非授權(quán)用戶(hù)很可能收到自己前一時(shí)刻發(fā)出信號(hào)的反射波而引起頻率的切換。但切換之后的頻率仍與上使用的頻率相同，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此設(shè)計(jì)中將發(fā)送載波與接收載波分開(kāi)。經(jīng)測(cè)試，每個(gè)載波傳送數(shù)據(jù)的帶寬為400 kHz,中心頻率的步距為500 kHz,則可以將中心頻率加減100 kHz分別作為發(fā)送波與接收波，這樣可有效地避免認(rèn)知用戶(hù)檢測(cè)到信號(hào)反射波工作不穩(wěn)定的情況。

本文所討論的非授權(quán)用戶(hù)的智能接入設(shè)計(jì)尚處于初級(jí)階段。目前初步實(shí)現(xiàn)了非授權(quán)用戶(hù)智能接入的基本功能，暫時(shí)還沒(méi)有考慮到實(shí)際應(yīng)用中諸如室內(nèi)外信道、障礙物、傳輸能量損耗、通信設(shè)備移動(dòng)等客觀因素。因此，今后的研究?jī)?nèi)容還有更大空間，面對(duì)的問(wèn)題會(huì)更加復(fù)雜，但它也公司帶來(lái)了無(wú)可估量的商業(yè)利益。