基于NS-3的CR认知网络仿真平台研究

认知无线电技术为缓解频谱资源紧缺，提高频谱利用率提供了重要解决方案。但目前尚缺乏验证相关理论的成熟原型和仿真平台，而且一些实验平台和设备无法实现认知网络跨层协作。针对缺少仿真验证平台和跨层协作问题，提出并实现了一种基于新型网络模拟器NS3的认知网络仿真平台CRE-NS3。该平台扩展了认知无线电的频谱感知功能，采用跨层协作方法实现频谱在空、时、频多域的有效利用。实验结果表明，CRE-NS3平台可实现跨层协议和认知功能的仿真验证，并可扩展到实际大规模无线网络的应用中，为下一代无线网络关键技术的研究提供了重要验证工具。

随着互联网+、未来智慧城市、下一代移动通信网络信息化时代的到来，人们对无线频谱资源的需求与有限的无线频谱资源之间的供需矛盾日益加剧，而认知无线电[1] (Cognitive Radio, CR)技术的提出， 为缓解这一矛盾提供了新的解决方案。认知用户(Cognitive Radio Users)自适应地感知周围目标授权频段， 推断主用户(Primary Users，PU，也称授权用户)是否在该目标频段工作，若主用户不工作，认知用户可以“伺机”接入这些空闲频谱。而一旦主用户需要使用该频段，认知用户必须立刻采取退避措施，退出该频段，以避免对主用户产生干扰[2]。认知无线电技术通过对授权频谱在空间、时间、频率等多维度上进行见缝插针的“二次利用”， 可以有效解决有限的频谱资源的动态使用问题， 极大提高频谱资源复用率。

认知无线电的功能及可用频谱的动态性决定了其网络模拟仿真工具的复杂性， 这给研究者带来很大挑战。目前，关于认知无线电网络模拟工具的设计和实现方面，国内研究还较少，国外的研究仿真工具主要有OPNET，OMNeT++，NS2 等。文献[3]和[4]中，作者利用OPNET 软件工具仿真分析了所提的认知无线电媒体接入(medium access control, MAC)层协议。文献[5]中，作者利用OMNeT++网络仿真工具提出一个CR 仿真扩展模块，该扩展模块每个节点多个接口，主要评估认知无线电MAC 层协议。文献[6]中，作者利用NS2 网络仿真工具设计了一个认知无线电认知网络(Cognitive Radio Cognitive Network, CRCN)仿真器扩展模块，该仿真器扩展模块提供了返回信息的应用程序接口APIs (application programming interfaces)、多射频多信道的节点和信道切换机制。文献[7]中，作者利用NS2 网络仿真工具研究了一个认知无线电扩展模块CogNS，该模块中每个节点配有一个网络接口用于感知主用户的活动，并根据所提频谱判决算法推断出可用空闲信道， 扩展模块中的认知节点不支持多射频。

然而， 上述这些仿真工具存在各种不足之处， 尚不能准确模拟实际大规模无线通信网络环境以实现认知无线电的功能。

针对上述难题， 美国华盛顿大学Thomas R. Henderson 教授及其项目组研究了新的网络模拟工具NS3 (network simulator 3) [8]，可以更加有效和准确的模拟现代通信网络，这为认知无线电仿真平台的设计提供了新途径。文献[9]首次提出将认知无线电扩展到NS-3 网络模拟器中，提出了CRE-NS3 认知无线电扩展模块。该CRE-NS3 扩展模块适合大规模的网络模拟，可以实现认知无线电频谱感知、主用户检测、频