基于MAC的无线电系统研究与分析

第一章引言

1.1研究背景
随着信息社会经济的快速发展，人们对无线服务需求不断增加，无线频谱资源闩益紧张的问题逐渐凸现出来。因此，如何提高频谱的利用率，一直以来就是无线通信领域研究的主要任务。近年來随着通信技术的发展及市场竞争R益激烈，固定与移动通信业务相互融洽、电信与IT业务相互融合的发展趋势更加明显。主要出发点就是：有线网络的宽带是无限的，而无线网络的宽带是有限的，因此可用的无线频谱资源非常有限，随着经济社会的发展，无线频谱资源将更加紧张。
因此，人们开始关注传统的固定频谱分配和无线移动业务的融合。而且，IEEE 802无线通信网络新技术的迅猛发展，也为移动与固定通信业务的相互融合及无牌照移动接入技术（Unlicensed Mobile Access, UMA)的发展创造了良好的有利条件。无牌照移动接入技术也已经成为3GPP2相应的接入标准之一。因此，人们提出了认知无线电(CognitiveRadio, CR)的概念，即动态的利用频谱资源，尽可能通过感知频域、时域和空域等频谱环境，提高频谱利用率。认知无线电为解决当前的频谱短缺现象提供了一条新途径。从本质上讲，认知无线电提供了一种"机会方式"来共享频谱，它改变了频谱接入权，提供了灵活的频谱分配方式，通过定期检测周围频谱环境，实时调整内部配置，以适应周围无线环境的变化。授权用户(也称主用户，Primary User, PU)优先级高于认知用户(也称次用户，Sense User, SU)，即认知用户利用规定频段的前提是不影响授权用户正常工作。它改变了以往的固定频谱分配，大大提高了频谱利用率。
认知无线电是当前无线通信发展的里程碑，它的应用会带来历史性的变革。认知无线电应该具备以下两个主要特征：
(1)认知能力：认知能力指认知无线电能够从工作环境中感知当前频谱信息，从而接入特定时间或空间空闲的频谱。这种能力通过捕捉无线环境中的时域和空域变化来防止对授权用户的干扰。
(2)重构能力：重构能力指认知无线电设备能够根据感知的环境变化，采用不同的通信技术收发信息。重构参数主要有发射信号功率、编码方式和工作频率。

1.2研究现状
目前，国内外对认知无线电MAC层的研究很有限，许多问题尚未解决。最为突出的是以下几个研究课题。
1.2.1基于认知无线电的虚拟非授权频谱体系
频谱检测，信道估计和数据传输等功能主要由物理层完成。认知用户之间感知和控制信息主要由控制信道专门实现。链路层主要有三个控制模块。组管理模块主要负责SU组信息管理，链路管理模块主要负责链路维护，而媒体接入控制模块主要负责多个数据链接并发接入等功能。
1.2.2 XG体系
XG物理层增加的功能模块是XG控制功能部分，它能够发现具有XG特性的帧，并对其进行相应的处理。同时，MAC层上增加了三个XG处理模块。机会识别模块负责动态的识别，机会分配模块负责分配，而机会使用模块负责使用频谱洞穴。
1.2.3无线区域网体系
目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的相关工作。该工作组成立于2004年11月，又称无线区域网(Wireless Regional Area Network, WRAN)工作组。该IEEE技术标准化组织最先引入了认知无线电的概念。

1.3本文的主要研究方向和工作
一、本文首先对认知无线电多信道MAC协议进行分类，分析已存多信道MAC协议的优缺点，并总结认知无线电网络中多信道MAC设计的难点和关键所在，为后面分布式多信道MAC协议的提出做准备。
二、针对多种用户并存的网络特性，得出认知无线电系统中一种新的MAC协议模型，并通过Matlab仿真分析其性能，为下面进行的MAC协议研究奠定基础。
三、对MAC的CSMA/CA基本接入机制进行改进，使其符合IEEE 802.22认知无线电MAC特点，适用于我们提出的MAC层协议。
四、提出一种基于统计信道的MAC协议，通过成功率预测，减少信道碰撞率，并通过仿真验证其性能；提出一种分布式多信道MAC协议，解决多信道隐藏终端问题，节省功率等。

第二章认知无线电网路介绍 ....................15-27
    2.1 认知无线电网络概述 ....................15-19
        2.1.1 认知无线电定义 ....................15-16
        2.1.2 认知无线电网络 ....................16-18
        2.1.3 认知无线电的关键技术 ....................18-19
    2.2 IEEE802.2 2标准 ....................19-27
        2.2.1 IEEE802.22物理层标准 ....................20-21
        2.2.2 MAC层标准 ....................21-27
第三章IEEE802.22 MAC研究 ....................27-40
    3.1 认知无线电网络中的多信道MAC协议 ..............27-33
        3.1.1 认知无线电多信道MAC协议的分类 ...........27-31
        3.1.2 认知无线电网络多信道MAC协议设计难点 ..........31-33
    3.2 基于异质的MAC层传输 ....................33-40
        3.2.1 移动工作站模型 ....................33-34
        3.2.2 传输流与带宽分享 ....................34
        3.2.3 IEEE802.22MAC协议 ....................34-36
        3.2.4 性能分析与仿真 ....................36-40
第四章IEEE802.22 认知无线电MAC层协议研究 ................40-63
    4.1 IEEE802.22中基于CSMA/CA的认知无线电网络MAC协议 .....40-48
        4.1.1 IEEE802.11中的CSMA/CA接入协议 ..............41-43
        4.1.2 改进的初始化过程 ....................43
        4.1.3 改进的RTS-CTS帧格式 ....................43-44
        4.1.4 改进的退避过程 ....................44-45
        4.1.5 性能分析与仿真 ....................45-48
    4.2 基于统计的信道分配MAC协议 ....................48-54
        4.2.1 系统模型 ....................48-49
        4.2.2 协议设计 ....................49-50
        4.2.3 性能分析及仿真 ....................50-52
        4.2.4 仿真结果 ....................52-54
    4.3 一种分布式多信道MAC协议 ....................54-63

总结

本文的主要工作是对认知无线电多信道MAC协议进行分类，分析已存多信道MAC协议的优缺点，并总结认知无线电网络中多信道MAC设计的难点和关键所在。然后针对多种用户并存的网络特性，得出认知无线电系统中新的MAC协议模型，并通过Matlab仿真分析其性能，为无线通信网络的规划、设计和分析提供了一条新途径。对MAC的CSMA/CA基本接入机制进行改进，对初始化过程、RTS-CTS帧格式和退避过程进行适当的改进，使其符合IEEE 802.22认知无线电MAC特点；提出一种基于统计信道的MAC协议，通过成功率预测，减少信道碰撞率，提高系统吞吐量性能，并通过仿真验证其性能；提出一种分布式多信道MAC协议，利用节省功率机制减少能量消耗，并通过专用控制信道机制解决隐藏终端问题、暴露终端问题、多信道隐藏终端问题等。
本文主要从IEEE 802.22标准出发分析认知无线电MAC层协议设计，目前，无论理论研究方面还是实践应用方面，认知无线电网络都有很多问题亟待解决。对认知无线电MAC层协议设计可以考虑跨层设计，将整个认知无线电系统作为一个整体进行协议设计，提高网络系统的整体性能。首先，考虑物理层频谱感知可以令频谱检测信息及时更新，提高服务质量；其次，设计路由协议时可以依据从数据链路层获知的路由信息；最后，我们在设计MAC控制信道时可以从整体网络的拓扑结构出发分配控制信道。