王海軍　李佳迅　趙海濤　王杉

摘要：

針對現(xiàn)有協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)工作在固定結(jié)構(gòu)導(dǎo)致靈活性低、對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)力不足的問題，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)對電磁干擾、設(shè)備故障和通信鏈路遮擋等問題，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)計和節(jié)點協(xié)議實現(xiàn)，并通過搭建基于GNU Radio和二代通用軟件無線電外設(shè)（USRP2）的協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)測試床對其切換耗時以及吞吐量性能進(jìn)行實際測試驗證。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；通用軟件無線電外設(shè)；GNU Radio

中圖分類號：

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，無線通信領(lǐng)域發(fā)展迅速，新理論層出不窮，其中認(rèn)知無線網(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)知無線網(wǎng)絡(luò)將認(rèn)知無線電[3]融入到傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，使無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有感知和學(xué)習(xí)能力，能夠動態(tài)感知和使用網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的空閑頻譜，解決無線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源稀缺和分配問題，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，能在不增加天線數(shù)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)并獲得多天線與多跳傳輸?shù)男阅茉鲆鎇4]。

將認(rèn)知無線電技術(shù)與協(xié)同通信相結(jié)合可揚兩者之長，在通過認(rèn)知無線電技術(shù)提高頻譜利用率的同時還能通過協(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）”這個名稱，提出了協(xié)同認(rèn)知無線網(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），它的特點是易于集中管理、實現(xiàn)簡單和高效性，但AP易成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能。無線分布式網(wǎng)絡(luò)的典型代表是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，其是由一組具有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點組成的多跳、無中心、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，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衰落較大的問題，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若無法工作，則整個網(wǎng)絡(luò)都會癱瘓；而在良好的通信環(huán)境下，若簡單地引入?yún)f(xié)同中繼節(jié)點則有可能帶來因協(xié)同協(xié)議開銷所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。因此，針對復(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，實現(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。

針對以上問題，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、及時地切換，從而應(yīng)對物理故障，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。同時，借助兩臺個人電腦（Personal Computer，PC）和四臺二代通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP2）（型號為USRP N210）搭建了完整的協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)用于功能演示和性能評估?；贜AST的協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)可同時支持集中控制式、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，揚長避短。一方面，該技術(shù)打破了以往無線網(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)急通信等場景；另一方面，通過設(shè)計實現(xiàn)完整的測試系統(tǒng)對該技術(shù)進(jìn)行驗證評估，為其實用化推廣提供了有力支撐。

1研究現(xiàn)狀

CCRN是認(rèn)知無線電研究領(lǐng)域中一個嶄新的方向，其關(guān)鍵技術(shù)逐漸成為當(dāng)前認(rèn)知無線電技術(shù)的研究重點，現(xiàn)有的研究內(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)知用戶端的檢測誤差所帶來的主次用戶性能下降問題，設(shè)計了協(xié)同最大比合并方案來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的同時還可以節(jié)約發(fā)送功率，實現(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]針對非理想感知場景下，綜合中繼選擇、信道接入和功率分配問題，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，在未來的5G中具有廣闊的發(fā)展前景[13]。文獻(xiàn)[14]通過在D2D網(wǎng)絡(luò)中引入基于感知的頻譜共享技術(shù)來進(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題，因此兩者的側(cè)重點不同。

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

2.1三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)工作模式

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，次用戶可以通過頻譜感知方法檢測主用戶使用授權(quán)信道的情況，并且能夠機(jī)會地接入到主用戶當(dāng)前未使用的信道而不對其造成干擾，一旦主用戶重新占用該信道，次用戶需要及時撤離。本文自適應(yīng)切換方案設(shè)計基于以下假設(shè)條件：1）整個系統(tǒng)的工作頻帶被劃分成M個帶寬相同且互不重疊的子信道，表示為ch1，ch2，…，chM；2）存在一個公共控制信道ch0對于次用戶和AP總是可用的；3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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，AP和周圍用戶節(jié)點（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)點也可上傳數(shù)據(jù)，但互相之間無法進(jìn)行通信。因此，整個網(wǎng)絡(luò)對AP依賴性較強(qiáng)，AP的失效將導(dǎo)致整個網(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)點之間可以互相直接通信，若兩個節(jié)點需要進(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)商過程主要是檢測所有數(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，兩者又會跳至控制信道進(jìn)行等待；沒有數(shù)據(jù)交換任務(wù)的節(jié)點會一直在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)無需AP參與，可以隨時隨地組網(wǎng)，單個節(jié)點故障不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，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A與C之間的鏈路由于距離過遠(yuǎn)或者障礙物遮擋無法直達(dá)，則A會尋

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

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，因此，本部分的主要工作就是要設(shè)計出能夠充分發(fā)揮三者的優(yōu)勢、揚長避短的網(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

考慮如下場景：若干救援分隊外出執(zhí)行搜救任務(wù)，他們將現(xiàn)場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組成了集中控制式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而開展高效、有序的救援工作；若指控中心受自然因素影響出現(xiàn)故障，周圍的救援分隊迅速地構(gòu)建起自組織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行點對點的通信，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，如果分隊之間鏈路受到障礙物的遮擋或者距離過遠(yuǎn)無法直接完成通信，則可以通過一個協(xié)同中繼節(jié)點重新建立鏈路連接。

因此，實現(xiàn)三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的及時、靈活切換對于提高諸如災(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)知無線網(wǎng)絡(luò)在初始化時處于高效的集中控制式結(jié)構(gòu)，當(dāng)周圍節(jié)點檢測到AP發(fā)生故障后，節(jié)點自發(fā)構(gòu)建可靠的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這時所有節(jié)點處于基于專有控制信道的多信道模式下，各節(jié)點在ch0上等待的過程中會定期檢測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)下的兩個節(jié)點在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過程中如果鏈路發(fā)生斷裂，無法進(jìn)行點對點通信，則發(fā)送節(jié)點會主動尋找第三個節(jié)點用作協(xié)同中繼節(jié)點，及時構(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)傳輸完畢又會重新構(gòu)建自組織的無線網(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。整個自適應(yīng)過程全部由用戶節(jié)點自主判斷與決策。

因此，NAST需要著重解決的問題是：1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需不需要轉(zhuǎn)變，對應(yīng)于AP故障與恢復(fù)檢測、直傳鏈路斷裂檢測兩個關(guān)鍵技術(shù)；2）如何轉(zhuǎn)變，對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所運行的協(xié)議設(shè)計。

2.3AP/直傳鏈路故障檢測

方案中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需不需轉(zhuǎn)變問題所對應(yīng)的AP故障與恢復(fù)檢測、直傳鏈路斷裂檢測兩個關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的觸發(fā)點。

2.3.1AP故障與恢復(fù)檢測

AP故障與恢復(fù)檢測是由周圍用戶節(jié)點來完成的，AP節(jié)點定期向周圍節(jié)點廣播hello包來保持自身的活躍狀態(tài)，周圍節(jié)點如果在一段時間內(nèi)既沒有收到hello包也沒有收到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)點又會重新收到hello包，故認(rèn)為AP恢復(fù)。

2.3.2直傳鏈路斷裂檢測與協(xié)同鏈路建立

自組織結(jié)構(gòu)下的源節(jié)點在控制信道無干擾的情況下連續(xù)發(fā)送若干次請求發(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)點的鏈路斷裂，無法直傳；接著，發(fā)送節(jié)點向周圍鄰居節(jié)點廣播協(xié)同請求幀，鄰居節(jié)點如果探測到目的節(jié)點則會回復(fù)源節(jié)點一個確認(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

方案中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)切換過程完全依靠網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基于對網(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)變的問題。

3.1節(jié)點運行協(xié)議設(shè)計

在基于NAST的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點按照角色可分為兩種：AP節(jié)點和用戶節(jié)點，用戶節(jié)點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。針對這兩類節(jié)點的功能設(shè)計出了五類協(xié)議：AP節(jié)點協(xié)議、用戶節(jié)點主協(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三個標(biāo)志位，通過置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)開啟與關(guān)閉，初始化時都置為False。

3.1.1AP節(jié)點協(xié)議

AP節(jié)點需要定時向周圍節(jié)點廣播hello包以示自己的存在，同時根據(jù)需要也會向節(jié)點發(fā)送指令以及接收來自周圍用戶的數(shù)據(jù)，AP節(jié)點協(xié)議偽代碼如下所示：

3.1.2用戶節(jié)點主協(xié)議

所有用戶節(jié)點在集中控制式結(jié)構(gòu)中都運行相同的協(xié)議，即等待來自AP的指令，并且可以上傳自身數(shù)據(jù)至AP，一旦節(jié)點檢測到AP發(fā)生故障，會立即開啟自組織結(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)點有發(fā)送需求會啟用數(shù)據(jù)發(fā)送子協(xié)議節(jié)點，否則，默認(rèn)運行數(shù)據(jù)接收子協(xié)議，如果探測到AP加入了網(wǎng)絡(luò)又會重新切換到集中控制式結(jié)構(gòu)。用戶節(jié)點主協(xié)議偽代碼如下所示：

4測試床實現(xiàn)與性能評估

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

4.1軟硬件平臺簡介及測試系統(tǒng)搭建

4.1.1硬件平臺USRP N210

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

可編程門陣列（Field Programmable Gate Array， FPGA）母板、一個或者多個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]?；赨SRP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GNU Radio

GNU Radio[18]是一個通過最小程度結(jié)合硬件（主要是USRP），用軟件定義無線電波的發(fā)射和接收方式來搭建無線電通信系統(tǒng)的開源軟件系統(tǒng)，使高性能的無線電設(shè)備中所遇到的數(shù)字調(diào)制問題變成軟件問題。 GNU Radio 的編程基于 Python 腳本語言和 C++的混合方式。 C++被用于編寫各種信號處理模塊（block），模塊之間通過簡潔的Python語言進(jìn)行連接，組成信號流圖（Graph）。測試系統(tǒng)所使用的算法程序就是在GNU Radio下設(shè)計編寫的。

4.1.3測試系統(tǒng)搭建

測試系統(tǒng)搭建如圖3所示意，兩臺PC分別通過以太網(wǎng)口連接兩個交換機(jī)控制四臺USRP N210，PC運行程序算法驅(qū)動USRP作為真實的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置。圖4給出了測試床的實物圖，測試中設(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)自主切換過程，設(shè)計并實現(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、切換耗時等信息。

4.2測試方法及步驟

如圖6所示，測試中使用USRP#C模擬中心控制節(jié)點AP和干擾設(shè)備，USRP#A和USRP#B分別模擬周圍用戶節(jié)點A和B，USRP#D模擬協(xié)同中繼節(jié)點D。在集中控制式網(wǎng)絡(luò)中，AP通過單信道ch0向周圍節(jié)點廣播指令，這里，我們定義了一個特定的“collect_ch”指令專門用來收集周圍節(jié)點的可用信道，周圍節(jié)點收到該指令后，會立即檢測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A在專有控制信道的多信道模式下向節(jié)點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A在節(jié)點D的協(xié)同下通過單信道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程以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的切換過程均可通過圖形界面和終端輸出清楚展示。

4.3測試結(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)點可以完成信息的交換；當(dāng)AP出現(xiàn)故障后，網(wǎng)絡(luò)會自主、及時地切換至自組織結(jié)構(gòu)，節(jié)點A可以成功向節(jié)點B發(fā)送圖片并且當(dāng)主用戶出現(xiàn)時能夠及時地切換至其他信道繼續(xù)傳輸，當(dāng)AP恢復(fù)后，節(jié)點又會重新收到來自AP的hello包和指令；在自組織結(jié)構(gòu)下，節(jié)點A與節(jié)點B之間的無線鏈路被遮擋后，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)又會切換至自組織結(jié)構(gòu)繼續(xù)下一張圖片傳輸。因此，該測試系統(tǒng)模擬的協(xié)同認(rèn)知無線網(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20次獨立測試，給出了圖7所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換耗時、結(jié)構(gòu)切換過程中的吞吐量變化情況。由圖7（a）可得，切換耗時的理論最小值與實測最小值基本吻合，兩者的細(xì)微差值源于硬件的信道切換耗時；當(dāng)信道環(huán)境不穩(wěn)定時，節(jié)點間會出現(xiàn)兩次握手的情況，因而導(dǎo)致最大耗時；集中控制切換至自組織結(jié)構(gòu)平均耗時約為2.3s，自組織切換至協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)平均耗時約為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)及時切換至協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)并且吞吐量恢復(fù)為原來的一半，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法重新建立數(shù)據(jù)鏈接。在協(xié)同中繼傳輸過程中，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)吞吐量的變化過程，可以看出，節(jié)點能夠及時地避開主用戶接入其他空閑數(shù)據(jù)信道繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，因此說明了網(wǎng)絡(luò)具有認(rèn)知性。

5結(jié)語

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AP故障與恢復(fù)檢測算法和直傳鏈路斷裂檢測算法，使協(xié)同認(rèn)知無線網(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、及時地切換。文中詳細(xì)設(shè)計了三者之間的互切換方案和節(jié)點運行的協(xié)議偽代碼，并利用Python編寫了完整的算法軟件，同時，借助兩臺PC、四臺

USRP N210和GNU Radio開發(fā)環(huán)境搭建了協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)演示系統(tǒng)對NAST進(jìn)行互切換耗時測試與吞吐量性能評估，并對自組織結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知性進(jìn)行驗證。相比采用單一、固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，NAST能夠應(yīng)對復(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)議較為簡單且測試平臺節(jié)點個數(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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