基于協(xié)同認(rèn)知的抗干擾網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)技術(shù)

王海軍　李佳迅　趙海濤　王杉

摘要：

針對(duì)現(xiàn)有協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作在固定結(jié)構(gòu)導(dǎo)致靈活性低、對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)力不足的問(wèn)題，以提高其抗干擾和抗毀能力為目標(biāo)，提出了一種基于協(xié)同認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)技術(shù)。該技術(shù)能夠使協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在集中控制、自組織和協(xié)同中繼三種結(jié)構(gòu)之間靈活、自主切換，從而應(yīng)對(duì)電磁干擾、設(shè)備故障和通信鏈路遮擋等問(wèn)題，極大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性。詳細(xì)介紹了切換方案設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)搭建基于GNU Radio和二代通用軟件無(wú)線電外設(shè)（USRP2）的協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床對(duì)其切換耗時(shí)以及吞吐量性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，相比單一、固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該技術(shù)能夠顯著增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性、連通性，提高服務(wù)質(zhì)量（QoS），因此在普通民用和應(yīng)急通信方面具有廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：

協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)；抗干擾；通用軟件無(wú)線電外設(shè)；GNU Radio

中圖分類號(hào)：

TN915.02

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：

Considering that the Cooperative Cognitive Radio Networks （CCRN） perform poorly with low flexibility and deficient ability to adapt to complex environment， which caused by working under a fixed architecture at present， a kind of network architecture selfadaption technology based on cooperation and cognition was proposed to improve the antijamming and antidamage ability of the CCRN. The technology made CCRN switch among three kinds of architectures， including centralized control， selforganization and cooperative relay， autonomously and flexibly， to deal with electromagnetic interference， equipment failure and obstructions on communication link， which could greatly enhance the network robustness. The switch scheme design and protocol implementation of different nodes were introduced in detail. Moreover， a CCRN testbed which consists of GNU Radio and the second generation of Universal Software Radio Peripheral （USRP2） was set up to test and verify its performance including switching time consumption and throughput. Results show that the technology significantly improves the antidestroying ability， connectivity and Quality of Service （QoS） of CCRN compared with the network working under single， and fixed architecture， thus， it has broad development prospects in terms of civilian and emergency communication.

英文關(guān)鍵詞Key words：

cooperative cognitive radio network； network architecture selfadaption； antijamming； Universal Software Radio Peripheral （USRP）； GNU Radio

0引言

近年來(lái)，無(wú)線通信領(lǐng)域發(fā)展迅速，新理論層出不窮，其中認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1]和協(xié)同通信[2]作為關(guān)鍵技術(shù)得到大家的廣泛研究。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將認(rèn)知無(wú)線電[3]融入到傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有感知和學(xué)習(xí)能力，能夠動(dòng)態(tài)感知和使用網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的空閑頻譜，解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源稀缺和分配問(wèn)題，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B通性和網(wǎng)絡(luò)生存性。協(xié)同通信技術(shù)融合了分集技術(shù)和中繼傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能在不增加天線數(shù)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)并獲得多天線與多跳傳輸?shù)男阅茉鲆鎇4]。

將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)與協(xié)同通信相結(jié)合可揚(yáng)兩者之長(zhǎng)，在通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)提高頻譜利用率的同時(shí)還能通過(guò)協(xié)同通信技術(shù)獲得分集增益，從而達(dá)到提升系統(tǒng)容量、減少能量消耗和拓展傳輸距離的目的，文獻(xiàn)[5]首次明確使用了“Cooperative Cognitive Radio Networks（CCRN）”這個(gè)名稱，提出了協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的概念。

CCRN按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般分為集中控制式和分布式。集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包含中心控制器（Access Point， AP），它的特點(diǎn)是易于集中管理、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和高效性，但AP易成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能。無(wú)線分布式網(wǎng)絡(luò)的典型代表是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，其是由一組具有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的多跳、無(wú)中心、靈活性的自組織網(wǎng)。相比其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有自發(fā)現(xiàn)、自組織、自愈合的特

點(diǎn)，有非常強(qiáng)的魯棒性和抗毀性，但不便于集中管理。在自組織網(wǎng)絡(luò)中引入?yún)f(xié)同通信技術(shù)可以克服用戶終端之間因遮擋效應(yīng)等因素而導(dǎo)致的直接路徑傳輸信號(hào)衰落較大的問(wèn)題，能夠提高傳輸可靠性和增加傳輸距離。

以上集中控制式、自組織式和協(xié)同中繼三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均可滿足不同場(chǎng)景下的特定通信需求，但單一、固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)卻無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境變化，例如，集中控制網(wǎng)絡(luò)中的AP若無(wú)法工作，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)癱瘓；而在良好的通信環(huán)境下，若簡(jiǎn)單地引入?yún)f(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)則有可能帶來(lái)因協(xié)同協(xié)議開(kāi)銷所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。因此，針對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如果能充分發(fā)揮三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)三者靈活切換，將在增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性、提高吞吐量和提高服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）等方面發(fā)揮重要作用。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種基于協(xié)同認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)技術(shù)（Network Architecture Selfadaption Technology，NAST），使CCRN能夠在三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間靈活、自主、及時(shí)地切換，從而應(yīng)對(duì)物理故障，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。同時(shí)，借助兩臺(tái)個(gè)人電腦（Personal Computer，PC）和四臺(tái)二代通用軟件無(wú)線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP2）（型號(hào)為USRP N210）搭建了完整的協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)用于功能演示和性能評(píng)估?；贜AST的協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)支持集中控制式、自組織和協(xié)同中繼共三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且可在三者之間智能靈活切換，揚(yáng)長(zhǎng)避短。一方面，該技術(shù)打破了以往無(wú)線網(wǎng)絡(luò)僅支持單一、固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局限，能夠有效增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性，從而適應(yīng)復(fù)雜多變的通信環(huán)境，因此，非常適合應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的災(zāi)難救助，應(yīng)急通信等場(chǎng)景；另一方面，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估，為其實(shí)用化推廣提供了有力支撐。

1研究現(xiàn)狀

CCRN是認(rèn)知無(wú)線電研究領(lǐng)域中一個(gè)嶄新的方向，其關(guān)鍵技術(shù)逐漸成為當(dāng)前認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究重點(diǎn)，現(xiàn)有的研究?jī)?nèi)容主要集中在協(xié)同頻譜感知、頻譜共享和中繼選擇與功率分配三個(gè)方面。

協(xié)同頻譜感知[6-7]是指在傳統(tǒng)的頻譜感知中引入認(rèn)知用戶之間的相互協(xié)作，最新頻譜感知技術(shù)的研究逐步發(fā)展到引入中繼節(jié)點(diǎn)利用空間分集幫助頻譜感知。文獻(xiàn)[8]的研究顯示，引入中繼節(jié)點(diǎn)幫助認(rèn)知用戶進(jìn)行頻譜感知和信息傳輸，能夠精確健壯地檢測(cè)頻譜占用情況，提高了頻譜利用率。頻譜共享允許認(rèn)知用戶在不對(duì)主用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用主用戶系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。Kim等[9]針對(duì)多用戶協(xié)同認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)提出了一種改進(jìn)的頻譜共享協(xié)議，為解決認(rèn)知用戶端的檢測(cè)誤差所帶來(lái)的主次用戶性能下降問(wèn)題，設(shè)計(jì)了協(xié)同最大比合并方案來(lái)緩解誤差傳播并獲得分集增益。在協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中，合理地選擇協(xié)同節(jié)點(diǎn)和分配發(fā)送功率，在提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能、增強(qiáng)QoS的同時(shí)還可以節(jié)約發(fā)送功率，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用[10-11]。文獻(xiàn)[10]基于頻譜租賃協(xié)議提出了一種中繼選擇和資源分配的聯(lián)合優(yōu)化算法，在保證QoS的基礎(chǔ)上提高能量效率；文獻(xiàn)[11]針對(duì)非理想感知場(chǎng)景下，綜合中繼選擇、信道接入和功率分配問(wèn)題，提出了一種考慮能量的集中控制式中繼選擇方案。

目前關(guān)于協(xié)同認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)研究還比較欠缺，最近提出的在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)中采用DevicetoDevice（D2D）技術(shù)可以看作是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)的一種新思路。D2D通信是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過(guò)復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信的新型技術(shù)[12]，它能夠提高蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在未來(lái)的5G中具有廣闊的發(fā)展前景[13]。文獻(xiàn)[14]通過(guò)在D2D網(wǎng)絡(luò)中引入基于感知的頻譜共享技術(shù)來(lái)進(jìn)行最優(yōu)的資源分配，使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率顯著提高。

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下復(fù)用小區(qū)資源的D2D通信實(shí)際可以看作是一種集中控制式與自組織式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的融合，而本文更進(jìn)一步提出了支持三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)的技術(shù)。D2D技術(shù)一般還要受到基站的嚴(yán)格控制，而基于NAST的網(wǎng)絡(luò)可在完全無(wú)AP的情況下工作。除此之外，D2D通信的目標(biāo)主要是提高資源利用率和網(wǎng)絡(luò)容量[15]，而NAST著重解決的是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的抗干擾和抗毀問(wèn)題，因此兩者的側(cè)重點(diǎn)不同。

2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)方案設(shè)計(jì)

2.1三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)工作模式

在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，次用戶可以通過(guò)頻譜感知方法檢測(cè)主用戶使用授權(quán)信道的情況，并且能夠機(jī)會(huì)地接入到主用戶當(dāng)前未使用的信道而不對(duì)其造成干擾，一旦主用戶重新占用該信道，次用戶需要及時(shí)撤離。本文自適應(yīng)切換方案設(shè)計(jì)基于以下假設(shè)條件：1）整個(gè)系統(tǒng)的工作頻帶被劃分成M個(gè)帶寬相同且互不重疊的子信道，表示為ch1，ch2，…，chM；2）存在一個(gè)公共控制信道ch0對(duì)于次用戶和AP總是可用的；3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均具有頻譜感知功能，且能靈活切換信道?；贜AST的協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具體工作模式如下：

當(dāng)處于如圖1（a）所示的集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，AP和周圍用戶節(jié)點(diǎn)（即次用戶，下同）均工作在單信道ch0上，AP可以廣播指令，用戶節(jié)點(diǎn)也可上傳數(shù)據(jù)，但互相之間無(wú)法進(jìn)行通信。因此，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)AP依賴性較強(qiáng)，AP的失效將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，如圖1（b）所示，用戶節(jié)點(diǎn)之間可以互相直接通信，若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，首先在控制信道ch0上協(xié)商數(shù)據(jù)信道的使用，協(xié)商過(guò)程主要是檢測(cè)所有數(shù)據(jù)信道的忙閑狀態(tài)，即主用戶是否占用，接著，兩者跳到協(xié)商好的信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端若連續(xù)多次發(fā)送數(shù)據(jù)包但收不到確認(rèn)（ACKnowledgement， ACK）則認(rèn)為信道被主用戶重新占用，就會(huì)重新跳到控制信道再次進(jìn)行頻譜感知和協(xié)商，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，兩者又會(huì)跳至控制信道進(jìn)行等待；沒(méi)有數(shù)據(jù)交換任務(wù)的節(jié)點(diǎn)會(huì)一直在ch0上等待。與集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，自組織式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)需AP參與，可以隨時(shí)隨地組網(wǎng)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有較強(qiáng)抗毀性。

在協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，如圖1（c）所示，節(jié)點(diǎn)A與C之間的鏈路由于距離過(guò)遠(yuǎn)或者障礙物遮擋無(wú)法直達(dá)，則A會(huì)尋

找網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的其他節(jié)點(diǎn)，例如B，作為協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)幫助其傳輸。協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)工作在單信道ch0上，中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，它在增加通信距離的同時(shí)會(huì)降低吞吐量。

集中控制、自組織和協(xié)同中繼三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，本部分的主要工作就是要設(shè)計(jì)出能夠充分發(fā)揮三者的優(yōu)勢(shì)、揚(yáng)長(zhǎng)避短的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)方案。

2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)互切換方案

考慮如下場(chǎng)景：若干救援分隊(duì)外出執(zhí)行搜救任務(wù)，他們將現(xiàn)場(chǎng)圖片或視頻上傳至指控中心，然后，指控中心根據(jù)情況下達(dá)相應(yīng)命令，指控中心與周圍的救援分隊(duì)組成了集中控制式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而開(kāi)展高效、有序的救援工作；若指控中心受自然因素影響出現(xiàn)故障，周圍的救援分隊(duì)迅速地構(gòu)建起自組織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，保證了救援中通信的連通性，一旦指控中心功能重新恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)又會(huì)重新恢復(fù)集中控制式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，如果分隊(duì)之間鏈路受到障礙物的遮擋或者距離過(guò)遠(yuǎn)無(wú)法直接完成通信，則可以通過(guò)一個(gè)協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)重新建立鏈路連接。

因此，實(shí)現(xiàn)三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的及時(shí)、靈活切換對(duì)于提高諸如災(zāi)難救助等應(yīng)急通信環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)連通性和抗毀性顯得極為迫切。

基于2.1節(jié)介紹的三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的工作模式，設(shè)計(jì)如圖2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)切換方案，完成集中控制式與自組織、自組織與協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)的互切換。

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在初始化時(shí)處于高效的集中控制式結(jié)構(gòu)，當(dāng)周圍節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到AP發(fā)生故障后，節(jié)點(diǎn)自發(fā)構(gòu)建可靠的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這時(shí)所有節(jié)點(diǎn)處于基于專有控制信道的多信道模式下，各節(jié)點(diǎn)在ch0上等待的過(guò)程中會(huì)定期檢測(cè)AP是否重新加入了網(wǎng)絡(luò)，從而決定是否要重新構(gòu)建集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過(guò)程中如果鏈路發(fā)生斷裂，無(wú)法進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)尋找第三個(gè)節(jié)點(diǎn)用作協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)，及時(shí)構(gòu)建協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢又會(huì)重新構(gòu)建自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，自組織結(jié)構(gòu)與協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)可以共存。整個(gè)自適應(yīng)過(guò)程全部由用戶節(jié)點(diǎn)自主判斷與決策。

因此，NAST需要著重解決的問(wèn)題是：1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需不需要轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)于AP故障與恢復(fù)檢測(cè)、直傳鏈路斷裂檢測(cè)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)；2）如何轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所運(yùn)行的協(xié)議設(shè)計(jì)。

2.3AP/直傳鏈路故障檢測(cè)

方案中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需不需轉(zhuǎn)變問(wèn)題所對(duì)應(yīng)的AP故障與恢復(fù)檢測(cè)、直傳鏈路斷裂檢測(cè)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的觸發(fā)點(diǎn)。

2.3.1AP故障與恢復(fù)檢測(cè)

AP故障與恢復(fù)檢測(cè)是由周圍用戶節(jié)點(diǎn)來(lái)完成的，AP節(jié)點(diǎn)定期向周圍節(jié)點(diǎn)廣播hello包來(lái)保持自身的活躍狀態(tài)，周圍節(jié)點(diǎn)如果在一段時(shí)間內(nèi)既沒(méi)有收到hello包也沒(méi)有收到AP的指令則認(rèn)為AP已經(jīng)發(fā)生故障；若AP重新加入了網(wǎng)絡(luò)，則在自組織結(jié)構(gòu)下處于等待狀態(tài)和完成數(shù)據(jù)發(fā)送重新跳至控制信道上的節(jié)點(diǎn)又會(huì)重新收到hello包，故認(rèn)為AP恢復(fù)。

2.3.2直傳鏈路斷裂檢測(cè)與協(xié)同鏈路建立

自組織結(jié)構(gòu)下的源節(jié)點(diǎn)在控制信道無(wú)干擾的情況下連續(xù)發(fā)送若干次請(qǐng)求發(fā)送幀（RequestToSend， RTS）而收不到允許發(fā)送幀（ClearToSend， CTS），則認(rèn)為與目的節(jié)點(diǎn)的鏈路斷裂，無(wú)法直傳；接著，發(fā)送節(jié)點(diǎn)向周圍鄰居節(jié)點(diǎn)廣播協(xié)同請(qǐng)求幀，鄰居節(jié)點(diǎn)如果探測(cè)到目的節(jié)點(diǎn)則會(huì)回復(fù)源節(jié)點(diǎn)一個(gè)確認(rèn)協(xié)同幀，至此，協(xié)同中繼鏈路成功建立。

3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)協(xié)議設(shè)計(jì)

方案中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)切換過(guò)程完全依靠網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的認(rèn)知所作出的自主決策，其中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)協(xié)議作為關(guān)鍵技術(shù)，主要解決網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如何轉(zhuǎn)變的問(wèn)題。

3.1節(jié)點(diǎn)運(yùn)行協(xié)議設(shè)計(jì)

在基于NAST的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)按照角色可分為兩種：AP節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)，用戶節(jié)點(diǎn)功能相同且工作在全雙工模式，能完成數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)同中繼工作。針對(duì)這兩類節(jié)點(diǎn)的功能設(shè)計(jì)出了五類協(xié)議：AP節(jié)點(diǎn)協(xié)議、用戶節(jié)點(diǎn)主協(xié)議、數(shù)據(jù)發(fā)送子協(xié)議、數(shù)據(jù)接收子協(xié)議和協(xié)同中繼子協(xié)議。協(xié)議中設(shè)置了central_ctrl_start、multich_adhoc_start和coop_start三個(gè)標(biāo)志位，通過(guò)置True或False分別控制集中控制式、自組織、協(xié)同中繼三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開(kāi)啟與關(guān)閉，初始化時(shí)都置為False。

3.1.1AP節(jié)點(diǎn)協(xié)議

AP節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播hello包以示自己的存在，同時(shí)根據(jù)需要也會(huì)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令以及接收來(lái)自周圍用戶的數(shù)據(jù)，AP節(jié)點(diǎn)協(xié)議偽代碼如下所示：

3.1.2用戶節(jié)點(diǎn)主協(xié)議

所有用戶節(jié)點(diǎn)在集中控制式結(jié)構(gòu)中都運(yùn)行相同的協(xié)議，即等待來(lái)自AP的指令，并且可以上傳自身數(shù)據(jù)至AP，一旦節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到AP發(fā)生故障，會(huì)立即開(kāi)啟自組織結(jié)構(gòu)下的基于專有控制信道的多信道通信模式；自組織結(jié)構(gòu)下，節(jié)點(diǎn)有發(fā)送需求會(huì)啟用數(shù)據(jù)發(fā)送子協(xié)議節(jié)點(diǎn)，否則，默認(rèn)運(yùn)行數(shù)據(jù)接收子協(xié)議，如果探測(cè)到AP加入了網(wǎng)絡(luò)又會(huì)重新切換到集中控制式結(jié)構(gòu)。用戶節(jié)點(diǎn)主協(xié)議偽代碼如下所示：

4測(cè)試床實(shí)現(xiàn)與性能評(píng)估

通過(guò)借助兩臺(tái)PC（搭載Ubuntu14.04系統(tǒng)，安裝GNU Radio軟件）和四臺(tái)USRP N210搭建了完整的協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)測(cè)試床，用來(lái)演示三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的切換過(guò)程，并對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

4.1軟硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介及測(cè)試系統(tǒng)搭建

4.1.1硬件平臺(tái)USRP N210

通用軟件無(wú)線電外設(shè)旨在使普通計(jì)算機(jī)能像高帶寬的軟件無(wú)線電設(shè)備一樣工作，其由一個(gè)帶有高速信號(hào)處理的現(xiàn)場(chǎng)

可編程門陣列（Field Programmable Gate Array， FPGA）母板、一個(gè)或者多個(gè)覆蓋不同頻率范圍的可調(diào)換的子板及相應(yīng)的天線組成[16]。基于USRP的成功，USRP N210能提供更高的性能和更大的靈活性[17]。

4.1.2軟件平臺(tái)GNU Radio

GNU Radio[18]是一個(gè)通過(guò)最小程度結(jié)合硬件（主要是USRP），用軟件定義無(wú)線電波的發(fā)射和接收方式來(lái)搭建無(wú)線電通信系統(tǒng)的開(kāi)源軟件系統(tǒng)，使高性能的無(wú)線電設(shè)備中所遇到的數(shù)字調(diào)制問(wèn)題變成軟件問(wèn)題。 GNU Radio 的編程基于 Python 腳本語(yǔ)言和 C++的混合方式。 C++被用于編寫(xiě)各種信號(hào)處理模塊（block），模塊之間通過(guò)簡(jiǎn)潔的Python語(yǔ)言進(jìn)行連接，組成信號(hào)流圖（Graph）。測(cè)試系統(tǒng)所使用的算法程序就是在GNU Radio下設(shè)計(jì)編寫(xiě)的。

4.1.3測(cè)試系統(tǒng)搭建

測(cè)試系統(tǒng)搭建如圖3所示意，兩臺(tái)PC分別通過(guò)以太網(wǎng)口連接兩個(gè)交換機(jī)控制四臺(tái)USRP N210，PC運(yùn)行程序算法驅(qū)動(dòng)USRP作為真實(shí)的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置。圖4給出了測(cè)試床的實(shí)物圖，測(cè)試中設(shè)置的基本參數(shù)如表1所示。

為了更直觀地展示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自主切換過(guò)程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了如圖5的用戶圖形界面用以顯示當(dāng)前所處的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、使用的信道、吞吐量、切換耗時(shí)等信息。

4.2測(cè)試方法及步驟

如圖6所示，測(cè)試中使用USRP#C模擬中心控制節(jié)點(diǎn)AP和干擾設(shè)備，USRP#A和USRP#B分別模擬周圍用戶節(jié)點(diǎn)A和B，USRP#D模擬協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)D。在集中控制式網(wǎng)絡(luò)中，AP通過(guò)單信道ch0向周圍節(jié)點(diǎn)廣播指令，這里，我們定義了一個(gè)特定的“collect_ch”指令專門用來(lái)收集周圍節(jié)點(diǎn)的可用信道，周圍節(jié)點(diǎn)收到該指令后，會(huì)立即檢測(cè)自身可用信道并上傳至AP；在自組織結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)A在專有控制信道的多信道模式下向節(jié)點(diǎn)B循環(huán)傳輸一張圖片；協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，節(jié)點(diǎn)A在節(jié)點(diǎn)D的協(xié)同下通過(guò)單信道ch0接著向B發(fā)送先前未發(fā)送完畢的圖片。單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的通信鏈路建立過(guò)程以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的切換過(guò)程均可通過(guò)圖形界面和終端輸出清楚展示。

4.3測(cè)試結(jié)果及性能指標(biāo)

在集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，AP與周圍節(jié)點(diǎn)可以完成信息的交換；當(dāng)AP出現(xiàn)故障后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自主、及時(shí)地切換至自組織結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)A可以成功向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送圖片并且當(dāng)主用戶出現(xiàn)時(shí)能夠及時(shí)地切換至其他信道繼續(xù)傳輸，當(dāng)AP恢復(fù)后，節(jié)點(diǎn)又會(huì)重新收到來(lái)自AP的hello包和指令；在自組織結(jié)構(gòu)下，節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B之間的無(wú)線鏈路被遮擋后，網(wǎng)絡(luò)又立即建立起從A到B再到C的協(xié)同中繼鏈路，繼續(xù)圖片傳輸，而當(dāng)直傳鏈路恢復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又會(huì)切換至自組織結(jié)構(gòu)繼續(xù)下一張圖片傳輸。因此，該測(cè)試系統(tǒng)模擬的協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持集中控制式、自組織、協(xié)同中繼三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的靈活自適應(yīng)，能夠顯著增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性、連通性，提高服務(wù)質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)20次獨(dú)立測(cè)試，給出了圖7所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換耗時(shí)、結(jié)構(gòu)切換過(guò)程中的吞吐量變化情況。由圖7（a）可得，切換耗時(shí)的理論最小值與實(shí)測(cè)最小值基本吻合，兩者的細(xì)微差值源于硬件的信道切換耗時(shí)；當(dāng)信道環(huán)境不穩(wěn)定時(shí)，節(jié)點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)兩次握手的情況，因而導(dǎo)致最大耗時(shí)；集中控制切換至自組織結(jié)構(gòu)平均耗時(shí)約為2.3s，自組織切換至協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)平均耗時(shí)約為2.5s。圖7（b）中給出了使用NAST與不使用NAST的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化對(duì)比，自組織結(jié)構(gòu)下平均吞吐量約為78KB/s，當(dāng)直傳鏈路斷裂后，基于NAST的網(wǎng)絡(luò)及時(shí)切換至協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)并且吞吐量恢復(fù)為原來(lái)的一半，約為37KB/s，而不使用NAST的網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸變?yōu)榱闱覠o(wú)法重新建立數(shù)據(jù)鏈接。在協(xié)同中繼傳輸過(guò)程中，若直傳鏈路恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)在結(jié)束本輪圖片發(fā)送后又會(huì)切換至自組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一張圖片傳輸。圖8描繪了在自組織結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，主用戶兩次重新占用當(dāng)前數(shù)據(jù)信道導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化過(guò)程，可以看出，節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)地避開(kāi)主用戶接入其他空閑數(shù)據(jù)信道繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，因此說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)具有認(rèn)知性。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種協(xié)同認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)技術(shù)，它通過(guò)AP故障與恢復(fù)檢測(cè)算法和直傳鏈路斷裂檢測(cè)算法，使協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)能夠在集中控制式、自組織、協(xié)同中繼三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間靈活、自主、及時(shí)地切換。文中詳細(xì)設(shè)計(jì)了三者之間的互切換方案和節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的協(xié)議偽代碼，并利用Python編寫(xiě)了完整的算法軟件，同時(shí)，借助兩臺(tái)PC、四臺(tái)

USRP N210和GNU Radio開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建了協(xié)同認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)演示系統(tǒng)對(duì)NAST進(jìn)行互切換耗時(shí)測(cè)試與吞吐量性能評(píng)估，并對(duì)自組織結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知性進(jìn)行驗(yàn)證。相比采用單一、固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，NAST能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物理故障和電磁干擾，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性。然而方案中的協(xié)同中繼協(xié)議較為簡(jiǎn)單且測(cè)試平臺(tái)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有限，下一步將著重優(yōu)化協(xié)同中繼協(xié)議以及研究方案在組網(wǎng)方面的性能。

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