摘 要： 針對目前認知無線電概念較少付諸實施的實際情況，對認知無線網絡中非授權用戶接入頻譜空隙的具體方法進行研究，提出一種基于載波檢測的設計方案。該設計硬件上由單片機和射頻發射模塊組成。軟件上通過基于載波檢測的程序設計來實現非授權用戶的智能接入。經測試，所設計的接入算法使得非授權用戶能夠準確檢測和訪問處于空閑狀態的頻點，并在這個頻點上成功進行數據的發送與接收。而當授權用戶使用該授權頻段時，非授權用戶又能夠及時退出，尋找新的頻點。從而初步實現了同構網絡中非授權用戶的智能接入，完成了一個可使用的認知用戶通信系統。
關鍵詞： 認知無線電；頻譜空隙；載波檢測；智能接入
Joseph Mitola博士[1]提出的認知無線電[2]CR(Cognitive Radio)作為一種新型的頻譜共享技術，通過智能感知并機會式利用授權頻段中的頻譜空穴(即已分配給授權用戶但未被其占用的空閑頻譜)，實現了不可再生頻譜資源的再次利用。為有效解決當今無線網絡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。目前國內該領域的研究還剛剛起步，主要集中在認知無線電物理層和媒質接入控制層的關鍵技術、協議體系結構、應用場景分析等方面，且以仿真研究為主，尚未有實用化的系統出現。本文提出的則是一個基于認知無線電的概念，將MSP430F2418單片機與nRF905射頻發射模塊相結合，通過載波檢測和算法控制，實現無線網絡中非授權用戶智能接入的設計方案，重點研究了如何將認知無線電的概念付諸實施。
1 硬件平臺的建立
圖1所示為該認知網絡的通信架構。圖中UCR表示授權用戶，F1是它的授權頻率；CR表示非授權用戶，CR_Tx為非授權用戶的發送方，網絡中非授權用戶的智能接入功能由其完成；CR_Rx為非授權用戶的接收方，其主要任務是準確接收來自發送方的數據。圖中Fn為可變頻率，在UCR沒有使用F1時，CR用戶可以使用F1；否則，CR用戶應避開這個頻率。由于本次研究的頻率是433.0 MHz免許可申請頻帶，所以選用了可工作在433/868/915 MHz的nRF905射頻發射模塊。為了直觀非授權用戶的工作性能，硬件上添加了液晶顯示器，該顯示器與按鍵相結合構成了人機交互界面。非授權用戶智能接入的功能需要一個微處理器進行處理和控制，課題中選用了具有超低功耗特點且具有較大內存的MSP430F2418型號單片機。該型號單片機龐大的內存空間為以后系統功能的擴展提供了方便，滿足了設計的需要。
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內部寄存器，使其工作于不同的工作狀態下。認知用戶發送方和接收方都需要對當前設置的頻率段進行頻譜檢測，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nRF905模塊CD引腳上信號的檢測實現的。對于液晶顯示器，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合構成一個人機交互界面，可以設置該網絡工作于不同頻段。
2 通信協議設計
2.1 自定義數據通信協議
由于認知無線電技術具有動態、靈活、智能的特點，因而對通信協議的要求比較高，要求協議能自適應于因終端變動、無線環境變動而帶來的可用頻譜資源的動態變化以及網絡拓撲結構的改變。尤其不能因為可用頻譜資源的改變中斷非授權用戶的正常通信。為此，需要改進現有的通信協議，并且考慮物理層和數據鏈路層的跨層設計問題。本文采用了數據通信協議中最基本的停等協議，即每發送一幀數據都要在等到應答幀之后才能發送下一幀數據。
為了避免停等協議中數據幀重發冗余的問題，發送方為每幀數據編上了一個序號。接收方通過對數據序號的判斷，以確保只接收當前想要的數據幀。
為了提高收發數據的正確率，除了nRF905的CRC校驗碼之外，設計中還將非授權用戶之間收發的數據塊第一個字符標志為‘R’。接收方接收數據時只在第一個字符‘R’ 校驗正確時才保存該數據。數據幀格式如圖3所示。
2.2 發送方的數據發送和協議解析
非授權用戶的發送方具有感知能力，該認知網絡中的智能接入功能即由其來實現。在初始化完成之后，發送方需要對當前設置的頻率段進行頻譜檢測[3-5]，將處于忙碌狀態與閑置狀態下的頻點分開，進而在閑置的頻點中找出一個最佳的頻點。最佳頻點找到后，發送方接著發送握手信息。在沒有收到對方應答信號之前，發送方會一直處在握手狀態。收到對方的應答信號之后，發送方才進入數據發送階段。在這個階段中，發送方每發完一幀數據后都要對當前使用的中心頻率進行檢測。若檢測到授權用戶仍然沒有使用該頻率，則發送方繼續發送剩余數據，直到數據傳送完畢。若發送方檢測到當前中心頻率正被授權用戶使用，則應及時避開這個頻點，重新尋找新的頻譜空隙建立起通信系統。如圖4所示。
2.3 接收方的數據接收和協議解析
接收方的基本任務是接收數據并將接收到的數據進行保存。其狀態轉換圖如圖5所示。在沒有等到非授權用戶握手信號之前，接收方會在各個頻率點上進行循環掃描檢測。若在某個頻點上檢測到有載波存在，接收方就試著去握手。如果握手失敗，接收方就變換頻點繼續檢測。一旦握手成功，接收方就開始進行數據的接收。在數據接收階段，如果發送方頻率保持不變，接收方就可以在無需變頻的情況下完成所有數據的接收。但如果發送方在傳輸數據的過程中切換了頻率，那么接收方在原來的頻率上已經收不到數據信息，需要退出數據接收狀態重新進行循環掃描檢測，再次握手成功后繼續接收剩下的數據。如果發現數據序號錯位，理論上發送方與接收方使用的頻率相同，則只需要調整步伐。經測試，非授權用戶接收方工作穩定。出現數據錯位時，程序可以根據自定義的協議自動調整步伐，確保每幀數據被正確地接收。
3 軟件設計
3.1 程序流程圖
系統軟件設計采用標準C語言在IAR開發環境下編寫調試。圖 6為非授權用戶發送方與接收方從頻率選擇到發送數據的程序流程圖，省略了液晶顯示器部分。
3.2 最佳頻點選擇算法
由于各個頻譜空隙周圍的環境狀況不一樣，為了盡量避免與其他用戶載波之間的干擾，非授權用戶需要從若干個頻譜空隙中找出最佳頻點。
以下程序是對分析得到的閑置頻率數組與忙碌頻率數組進行的處理。該算法預先定義了3個數組，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：將閑置頻率數組中的所有數值依次加上和減去5×againflag(相鄰頻率控制字之間的步距為5，againflag為重復分類的次數，初始值為1)，得到的兩個值與忙碌頻率數組的數據進行匹配，按照兩個數值匹配的情況，將當前這個頻率分配到預先定義的相應的數組里。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，那就直接返回這個頻率值；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，則需要進行第二輪分類，直到找出最佳的頻點為止。在出現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值。
3.3 收發頻率設計
在通常情況下，發射天線周圍存在各種障礙物。如果收發頻率相同，那么非授權用戶很可能收到自己前一時刻發出信號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，從而導致系統工作不穩定。因此設計中將發送載波與接收載波分開。經測試，每個載波傳送數據的帶寬為400 kHz，中心頻率的步距為500 kHz，則可以將中心頻率加減100 kHz分別作為發送波與接收波，這樣可有效地避免認知用戶檢測到信號反射波工作不穩定的情況。收發頻率關系圖如圖7所示。
本文所討論的非授權用戶的智能接入設計尚處于初級階段。目前初步實現了非授權用戶智能接入的基本功能，暫時還沒有考慮到實際應用中諸如室內外信道、障礙物、傳輸能量損耗、通信設備移動等客觀因素。因此，今后的研究內容還有更大空間，面對的問題會更加復雜。
參考文獻
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