一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统及其方法技术方案

一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统及其方法，其基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统，包括MCRN网络,所述MCRN网络包括主用户群PUs、认知用户群CRs和认知用户融合中心；所述M个主用户组成的主用户群PUs、N个认知用户组成的认知用户群CRs与所述认知用户融合中心共享某段电磁频谱；每个所述认知用户CR中包括有MCRE‑NS3扩展模块，所述MCRE‑NS3扩展模块中包括四个子模块，所述四个子模块分别为频谱智能感知模块、频谱决策模块、频谱切换模块和频谱共享模块。可以实现认知无线电频谱感知，主用户检测，频谱智能切换这样的功能，并可在此基础上进一步扩展新的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统及其方法
本专利技术涉及认知无线电、认知网络
，具体涉及一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统及其方法。
技术介绍
未来智慧城市通过物联网、云计算等新一代信息技术实现全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用，这势必对无线频谱资源和带宽提出了更高的需求，然而有限的无线频谱资源已无法满足此需求。而认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术的提出为缓解频谱稀缺问题提供了新的解决方案。认知用户(CognitiveRadiousers，CRs)自适应地感知周围目标授权频段，在不影响主用户(PrimaryUsers，PUs，也称授权用户)正常通信的情况下，对授权频谱在空间、时间、频率等多维度上进行见缝插针的“二次利用”，以提高频谱资源复用率。CR的功能及可用频谱的高动态性决定了其网络模拟仿真系统的复杂性，这给研究者带来很大挑战。特别是对于移动认知网络(MobileCognitiveRadioNetworks,MCRNs)，情况更为复杂。目前，关于CRs仿真系统的设计和实现方面，国内外研究还较少，主流的开发平台为OPNET，OMNeT++，NS2等。一些资料利用OPNET工具仿真分析了所提的认知无线电媒体接入(mediumaccesscontrol，MAC)层协议。另一些资料利用OMNeT++工具提出一个CR仿真扩展模块，模块中各节点配有多个评估MAC层协议的接口。还有一些资料，利用NS2设计了一个认知无线电认知网络(CognitiveRadioCognitiveNetwork，CRCN)仿真扩展模块，该扩展模块提供了返回信息的应用程序接口APIs、多射频多信道的节点和信道切换机制。也有一些资料利用NS2研究了一个认知无线电扩展模块CogNS，模块中各CR节点配有一个用于感知PU活动情况的网络接口，并根据所提频谱判决算法推断出可用空闲信道，但扩展模块中的CR节点不支持多射频。此外，上述资料的研究主要适用于静态认知网络，即CRs与PUs都是静止的，尚不能准确模拟未来实际移动无线通信系统大规模、高动态、复杂异构的认知网络环境。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统及其方法，其中的MCRE-NS3扩展模块适合大规模的高动态复杂认知无线网络模拟，可以实现电磁频谱智能感知，主用户检测，频谱智能切换这样的功能，并可在此基础上进一步扩展新的功能。为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供了一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统及其方法的解决方案，具体如下：一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统，包括MCRN网络，所述MCRN网络包括M个主用户组成的主用户群PUs、N个认知用户组成的认知用户群CRs和一个认知用户融合中心；所述M个主用户组成的主用户群PUs与N个认知用户组成的认知用户群CRs共享C个正交授权信道；所述M个主用户组成的主用户群PUs、N个认知用户组成的认知用户群CRs与所述认知用户融合中心之间相通信连接；每个所述认知用户CR中包括有MCRE-NS3扩展模块，所述MCRE-NS3扩展模块中包括四个子模块，所述四个子模块分别为频谱智能感知模块、频谱决策模块、频谱智能切换模块和频谱共享模块。进一步地，所述频谱智能感知模块用来负责感知某段时间、某一空间的主用户PU是否占用某一授权信道，根据所加载的静态主用户PU数据库推测主用户PU的活动状态，所述主用户PU的活动状态包括启用状态ON或禁用状态OFF。进一步地，所述频谱智能感知模块用来负责感知某段时间、某一空间的主用户PU是否占用某一授权信道的方式为两种,分别为独立感知方式和协同感知方式：所述独立感知方式为在某一信道c处在空闲状态H0或被主用户PU占用的状态H1的条件下，第j个认知用户CRj(j＝1,2,...,N)接收到第i个主用户PUi(i＝1,2,...,M)的信号表达式分别为公式(1)所示：其中代表第i个主用户PUi的发射信号在CRj处的接收信号强度，w(n)为高斯白噪声，i、j与n均为自然数，第j个认知用户CRj接收到第i个主用户PUi的发射信号的平均功率为：其中K为采样数，若则信道c处在被主用户PU占用的占用状态H1，则信道c处于空闲状态H0，没被主用户PU占用，λ为设定的能量检测阈值。所述协同感知方式为由于电磁频谱的高动态性及复杂的地理环境，若所述独立感知方式中的第j个认知用户CRj(j＝1,2,...,N)接收第i个主用户PUi的信号强度弱到不能准确、快速判断PU是否占用某一授权信道时，第j个认知用户CRj就可以切换到协同频谱感知方式以增加感知的准确性和时间敏捷性，具体的协同频谱感知方式为：第j个认知用户CRj根据最小临界功率其中A*为目标检测概率，pf为虚警概率，选择其射频覆盖范围内接收第i个主用户PUi信号较强的认知用户CRi作为中继用户，其中，i≠j，采用动态可变时分多址接入DV-TDMA调度机制进行AF放大转发协作，那么CRj在信道c接收到PUi的最终信号表示为：Yj,i＝θj,iSj,i+Wj,i(6)式中在H0条件下，θj,i＝0或在H1条件下，θj,i＝1，信号噪声表示认知用户CRj与认知中继用户间的平均信道增益，hpj,i，hji,i，hpi,i分别表示主用户PUi与认知用户CRj、认知用户CRj与认知中继用户CRi、主用户PUi与认知中继用户CRi间的瞬时信道增益，认知用户CRj与认知中继用户CRi间的功率放大因子，wj,i、wi,i分别表示主用户PUi与认知用户CRj、主用户PUi与认知中继用户CRi间的噪声。根据能量检测E(Yj,i)＝|Yj,i|2≥λ，则认知用户融合中心判决处在被主用户PU占用的占用状态H1,否则信道c处于空闲状态H0，没被主用户PU占用。进一步地，所述静态主用户PU数据库加载在所述基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统中，具体的说所述静态主用户PU数据库可以加载在主用户群PUs、认知用户群CRs或者认知用户融合中心中，所述静态主用户PU数据库是文件名为PU.txt的文本文件，所述文本文件中包括主用户PU数量及其空间位置、主用户PU的占用信道、主用户PU的传输功率以及主用户PU处在启用状态ON和主用户PU处在禁用状态OFF的指数时间分布列表。进一步地，所述频谱决策模块用来让作为CR节点的认知用户CR根据所给策略决定是否切换信道及切换到哪一信道，所述所给策略能够在信道c处于空闲状态H0时切换进入随机选择的一个处于空闲状态的信道。进一步地，所述频谱智能切换模块用来在CR节点的物理层控制下，在当前CR节点内启动频谱切换协议进行信道智能切换。进一步地，所述频谱共享模块用来使用嵌入载波802.11感知标准来确保同一信道上传输的认知用户CR间可无冲突以此来共享可用频谱。进一步地，所述MCRE-NS3模块的四个子模块涉及网络层、链路层和物理层的修改，在认知用户CR的网络层配置AODV路由协议，将产生的控制包路由到相应的MAC接口；在链路层和物理层定义了新的认知接口，每个CR节点可以定义多个这种接口；第一个是控制接口CTRL，用于传输公共控制信道的控制分组信息；第二个是发送接口TX，用来向相邻CR节点传输数据消息；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统，其特征在于，包括MCRN网络，所述MCRN网络包括M个主用户组成的主用户群PUs、N个认知用户组成的认知用户群CRs和一个认知用户融合中心；所述M个主用户组成的主用户群PUs与N个认知用户组成的认知用户群CRs共享C个正交授权信道；所述M个主用户组成的主用户群PUs、N个认知用户组成的认知用户群CRs与所述认知用户融合中心之间相通信连接；每个所述认知用户CR中包括有MCRE‑NS3扩展模块，所述MCRE‑NS3扩展模块中包括四个子模块，所述四个子模块分别为频谱智能感知模块、频谱决策模块、频谱智能切换模块和频谱共享模块。

【技术特征摘要】
1.一种基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统，其特征在于，包括MCRN网络，所述MCRN网络包括M个主用户组成的主用户群PUs、N个认知用户组成的认知用户群CRs和一个认知用户融合中心；所述M个主用户组成的主用户群PUs与N个认知用户组成的认知用户群CRs共享C个正交授权信道；所述M个主用户组成的主用户群PUs、N个认知用户组成的认知用户群CRs与所述认知用户融合中心之间相通信连接；每个所述认知用户CR中包括有MCRE-NS3扩展模块，所述MCRE-NS3扩展模块中包括四个子模块，所述四个子模块分别为频谱智能感知模块、频谱决策模块、频谱智能切换模块和频谱共享模块。2.根据权利要求1所述的基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统，其特征在于，所述频谱智能感知模块用来负责感知某段时间、某一空间的主用户PU是否占用某一授权信道，根据所加载的静态主用户PU数据库推测主用户PU的活动状态，所述主用户PU的活动状态包括启用状态ON或禁用状态OFF。3.根据权利要求2所述的基于NS3的高动态电磁频谱认知管理系统，其特征在于，所述频谱智能感知模块用来负责感知某段时间、某一空间的主用户PU是否占用某一授权信道的方式为两种,分别为独立感知方式和协同感知方式：所述独立感知方式为在某一信道c处在空闲状态H0或被主用户PU占用的状态H1的条件下，第j个认知用户CRj(j＝1,2,...,N)接收到第i个主用户PUi(i＝1,2,...,M)的信号表达式分别为公式(1)所示：其中代表第i个主用户PUi的发射信号在CRj处的接收信号强度，w(n)为高斯白噪声，i、j与n均为自然数，第j个认知用户CRj接收到第i个主用户PUi的发射信号的平均功率为：其中K为采样数，若则信道c处在被主用户PU占用的占用状态H1，则信道c处于空闲状态H0，没被主用户PU占用，λ为设定的能量检测阈值；所述协同感知方式为由于电磁频谱的高动态性及复杂的地理环境，若所述独立感知方式中的第j个认知用户CRj(j＝1,2,...,N)接收第i个主用户PUi的信号强度弱到不能准确、快速判断PU是否占用某一授权信道时，第j个认知用户CRj就可以切换到协同频谱感知方式以增加感知的准确性和时间敏捷性，具体的协同频谱感知方式为：第j个认知用户CRj根据最小临界功率其中A*为目标检测概率，pf为虚警概率，选择其射频覆盖范围内接收第i个主用户PUi信号较强的认知用户CRi作为中继用户，其中，i≠j，采用动态可变时分多址接入DV-TDMA调度机制进行AF放大转发协作，那么CRj在信道c接收到PUi的最终信号Yj,i表示为：Yj,i＝θj,iSj,i+Wj,i(3)式中在H0条件下，θj,i＝0或在H1条件下，θj,i＝1，信号噪声Gji,i＝E{|hji,i|2}表示认知用户CRj与认知中继用户间的平均信道增益，hpj,i，hji,i，hpi,i分别表示主用户PUi与认知用户CRj、认知用户CRj与认知中继用户CRi、主用户PUi与认知中继用户CRi间的瞬时信道增益，认知用户CRj与认知中继用户CRi间的功率放大因子，wj,i、wi,i分别表示主用户PUi与认知用户CRj、主用户PUi...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔翠梅，杨德智，汪一鸣，朱锡芳，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32