基于載波檢測的認知無(wú)線(xiàn)電設計

提出的認知無(wú)線(xiàn)電[2]CR(Cognitive Radio)作為一種新型的頻譜共享技術(shù)，通過(guò)智能感知并機會(huì )式利用授權頻段中的頻譜空穴(即已分配給授權用戶(hù)但未被其占用的空閑頻譜)，實(shí)現了不可再生頻譜資源的再次利用。為有效解決當今無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中頻譜資源緊張與頻譜利用率不高這一矛盾開(kāi)辟了新的途徑。目前國內該領(lǐng)域的研究還剛剛起步，主要集中在認知無(wú)線(xiàn)電物理層和媒質(zhì)接入控制層的關(guān)鍵技術(shù)、協(xié)議體系結構、應用場(chǎng)景分析等方面，且以仿真研究為主，尚未有實(shí)用化的系統出現。本文提出的則是一個(gè)基于認知無(wú)線(xiàn)電的概念，將MSP430F2418單片機與nRF905射頻發(fā)射模塊相結合，通過(guò)載波檢測和算法控制，實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中非授權用戶(hù)智能接入的設計方案，重點(diǎn)研究了如何將認知無(wú)線(xiàn)電的概念付諸實(shí)施。

1 硬件平臺的建立

圖1所示為該認知網(wǎng)絡(luò )的通信架構。圖中UCR表示授權用戶(hù)，F1是它的授權頻率；CR表示非授權用戶(hù)，CR_Tx為非授權用戶(hù)的發(fā)送方，網(wǎng)絡(luò )中非授權用戶(hù)的智能接入功能由其完成；CR_Rx為非授權用戶(hù)的接收方，其主要任務(wù)是準確接收來(lái)自發(fā)送方的數據。圖中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(guān)非授權用戶(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合構成了人機交互界面。非授權用戶(hù)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(mǎn)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(guò)P2、P3口來(lái)操作nRF905內部寄存器，使其工作于不同的工作狀態(tài)下。認知用戶(hù)發(fā)送方和接收方都需要對當前設置的頻率段進(jìn)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(shí)現的。對于液晶顯示器，CPU主要通過(guò)P5口低四位以及P4口來(lái)控制。另外，圖中省略的按鍵與液晶顯示器相結合構成一個(gè)人機交互界面，可以設置該網(wǎng)絡(luò )工作于不同頻段。

2 通信協(xié)議設計

2.1 自定義數據通信協(xié)議

由于認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、靈活、智能的特點(diǎn)，因而對通信協(xié)議的要求比較高，要求協(xié)議能自適應于因終端變動(dòng)、無(wú)線(xiàn)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(hù)的正常通信。為此，需要改進(jìn)現有的通信協(xié)議，并且考慮物理層和數據鏈路層的跨層設計問(wèn)題。本文采用了數據通信協(xié)議中最基本的停等協(xié)議，即每發(fā)送一幀數據都要在等到應答幀之后才能發(fā)送下一幀數據。

為了避免停等協(xié)議中數據幀重發(fā)冗余的問(wèn)題，發(fā)送方為每幀數據編上了一個(gè)序號。接收方通過(guò)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(fā)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(hù)之間收發(fā)的數據塊第一個(gè)字符標志為‘R’。接收方接收數據時(shí)只在第一個(gè)字符‘R’ 校驗正確時(shí)才保存該數據。數據幀格式如圖3所示。

2.2 發(fā)送方的數據發(fā)送和協(xié)議解析

非授權用戶(hù)的發(fā)送方具有感知能力，該認知網(wǎng)絡(luò )中的智能接入功能即由其來(lái)實(shí)現。在初始化完成之后，發(fā)送方需要對當前設置的頻率段進(jìn)行頻譜檢測 [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)最佳的頻點(diǎn)。最佳頻點(diǎn)找到后，發(fā)送方接著(zhù)發(fā)送握手信息。在沒(méi)有收到對方應答信號之前，發(fā)送方會(huì )一直處在握手狀態(tài)。收到對方的應答信號之后，發(fā)送方才進(jìn)入數據發(fā)送階段。在這個(gè)階段中，發(fā)送方每發(fā)完一幀數據后都要對當前使用的中心頻率進(jìn)行檢測。若檢測到授權用戶(hù)仍然沒(méi)有使用該頻率，則發(fā)送方繼續發(fā)送剩余數據，直到數據傳送完畢。若發(fā)送方檢測到當前中心頻率正被授權用戶(hù)使用，則應及時(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。如圖4所示。

2.3 接收方的數據接收和協(xié)議解析

接收方的基本任務(wù)是接收數據并將接收到的數據進(jìn)行保存。其狀態(tài)轉換圖如圖5所示。在沒(méi)有等到非授權用戶(hù)握手信號之前，接收方會(huì )在各個(gè)頻率點(diǎn)上進(jìn)行循環(huán)掃描檢測。若在某個(gè)頻點(diǎn)上檢測到有載波存在，接收方就試著(zhù)去握手。如果握手失敗，接收方就變換頻點(diǎn)繼續檢測。一旦握手成功，接收方就開(kāi)始進(jìn)行數據的接收。在數據接收階段，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據的接收。但如果發(fā)送方在傳輸數據的過(guò)程中切換了頻率，那么接收方在原來(lái)的頻率上已經(jīng)收不到數據信息，需要退出數據接收狀態(tài)重新進(jìn)行循環(huán)掃描檢測，再次握手成功后繼續接收剩下的數據。如果發(fā)現數據序號錯位，理論上發(fā)送方與接收方使用的頻率相同，則只需要調整步伐。經(jīng)測試，非授權用戶(hù)接收方工作穩定。出現數據錯位時(shí)，程序可以根據自定義的協(xié)議自動(dòng)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(yǔ)言在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)調試。圖 6為非授權用戶(hù)發(fā)送方與接收方從頻率選擇到發(fā)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(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，非授權用戶(hù)需要從若干個(gè)頻譜空隙中找出最佳頻點(diǎn)。

以下程序是對分析得到的閑置頻率數組與忙碌頻率數組進(jìn)行的處理。該算法預先定義了3個(gè)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(lèi)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(lèi)的次數，初始值為1)，得到的兩個(gè)值與忙碌頻率數組的數據進(jìn)行匹配，按照兩個(gè)數值匹配的情況，將當前這個(gè)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(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。如果在第一輪分類(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)，直到找出最佳的頻點(diǎn)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(gè)值。

3.3 收發(fā)頻率設計

在通常情況下，發(fā)射天線(xiàn)周?chē)嬖诟鞣N障礙物。如果收發(fā)頻率相同，那么非授權用戶(hù)很可能收到自己前一時(shí)刻發(fā)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(fā)送載波與接收載波分開(kāi)。經(jīng)測試，每個(gè)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(fā)送波與接收波，這樣可有效地避免認知用戶(hù)檢測到信號反射波工作不穩定的情況。收發(fā)頻率關(guān)系圖如圖7所示。

本文所討論的非授權用戶(hù)的智能接入設計尚處于初級階段。目前初步實(shí)現了非授權用戶(hù)智能接入的基本功能，暫時(shí)還沒(méi)有考慮到實(shí)際應用中諸如室內外信道、障礙物、傳輸能量損耗、通信設備移動(dòng)等客觀(guān)因素。因此，今后的研究?jì)热葸€有更大空間，面對的問(wèn)題會(huì )更加復雜。