基于載波檢測(cè)的認(rèn)知無線電設(shè)計(jì)

提出的認(rèn)知無線電[2]CR(Cognitive Radio)作為一種新型的頻譜共享技術(shù)，通過智能感知并機(jī)會(huì)式利用授權(quán)頻段中的頻譜空穴(即已分配給授權(quán)用戶但未被其占用的空閑頻譜)，實(shí)現(xiàn)了不可再生頻譜資源的再次利用。為有效解決當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源緊張與頻譜利用率不高這一矛盾開辟了新的途徑。目前國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究還剛剛起步，主要集中在認(rèn)知無線電物理層和媒質(zhì)接入控制層的關(guān)鍵技術(shù)、協(xié)議體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景分析等方面，且以仿真研究為主，尚未有實(shí)用化的系統(tǒng)出現(xiàn)。本文提出的則是一個(gè)基于認(rèn)知無線電的概念，將MSP430F2418單片機(jī)與nRF905射頻發(fā)射模塊相結(jié)合，通過載波檢測(cè)和算法控制，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)中非授權(quán)用戶智能接入的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)研究了如何將認(rèn)知無線電的概念付諸實(shí)施。

1 硬件平臺(tái)的建立

圖1所示為該認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的通信架構(gòu)。圖中UCR表示授權(quán)用戶，F(xiàn)1是它的授權(quán)頻率；CR表示非授權(quán)用戶，CR_Tx為非授權(quán)用戶的發(fā)送方，網(wǎng)絡(luò)中非授權(quán)用戶的智能接入功能由其完成；CR_Rx為非授權(quán)用戶的接收方，其主要任務(wù)是準(zhǔn)確接收來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)。圖中Fn為可變頻率，在UCR沒有使用F1 時(shí)，CR用戶可以使用F1；否則，CR用戶應(yīng)避開這個(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。非授權(quán)用戶智能接入的功能需要一個(gè)微處理器進(jìn)行處理和控制，課題中選用了具有超低功耗特點(diǎn)且具有較大內(nèi)存的MSP430F2418型號(hào)單片機(jī)。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。

圖2所示為MSP430F2418、nRF905以及液晶顯示器的硬件連接圖，省略了按鍵部分。CPU主要通過P2、P3口來操作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最佳載波頻率，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P5口低四位以及P4口來控制。另外，圖中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

由于認(rèn)知無線電技術(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)、無線環(huán)境變動(dòng)而帶來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)問題。本文采用了數(shù)據(jù)通信協(xié)議中最基本的停等協(xié)議，即每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)都要在等到應(yīng)答幀之后才能發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。

為了避免停等協(xié)議中數(shù)據(jù)幀重發(fā)冗余的問題，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)用戶之間收發(fā)的數(shù)據(jù)塊第一個(gè)字符標(biāo)志為‘R’。接收方接收數(shù)據(jù)時(shí)只在第一個(gè)字符‘R’ 校驗(yàn)正確時(shí)才保存該數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

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，進(jìn)而在閑置的頻點(diǎn)中找出一個(gè)最佳的頻點(diǎn)。最佳頻點(diǎn)找到后，發(fā)送方接著發(fā)送握手信息。在沒有收到對(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)用戶仍然沒有使用該頻率，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)用戶使用，則應(yīng)及時(shí)避開這個(gè)頻點(diǎn)，重新尋找新的頻譜空隙建立起通信系統(tǒng)。如圖4所示。

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。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。在沒有等到非授權(quán)用戶握手信號(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)的過程中切換了頻率，那么接收方在原來的頻率上已經(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 程序流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)C語言在IAR開發(fā)環(huán)境下編寫調(diào)試。圖 6為非授權(quán)用戶發(fā)送方與接收方從頻率選擇到發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖，省略了液晶顯示器部分。

3.2 最佳頻點(diǎn)選擇算法

由于各個(gè)頻譜空隙周圍的環(huán)境狀況不一樣，為了盡量避免與其他用戶載波之間的干擾，非授權(quán)用戶需要從若干個(gè)頻譜空隙中找出最佳頻點(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。如果在第一輪分類之后，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，直到找出最佳的頻點(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)射天線周圍存在各種障礙物。如果收發(fā)頻率相同，那么非授權(quán)用戶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一次使用的頻率相同，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。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)知用戶檢測(cè)到信號(hào)反射波工作不穩(wěn)定的情況。收發(fā)頻率關(guān)系圖如圖7所示。

本文所討論的非授權(quán)用戶的智能接入設(shè)計(jì)尚處于初級(jí)階段。目前初步實(shí)現(xiàn)了非授權(quán)用戶智能接入的基本功能，暫時(shí)還沒有考慮到實(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)的問題會(huì)更加復(fù)雜。