计算机论文范文5000字
计算机论文模型1:认知无线电系统的组成和应用场景分析
认知无线电系统组成
认知无线电系统是指采用认知无线电技术的无线通信系统，借助更加灵活的收发平台和增强的计算智能，使通信系统更加灵活。认知无线电系统主要包括三个功能模块:信息获取、学习、决策和调整，如图1所示[3]。
认知无线电系统的主要特征是获取无线电外部环境、内部状态和相关政策的知识，以及监测用户需求的能力。认知无线电系统具有获取无线电外部环境并对其进行分析的能力。例如，通过分析当前的频谱使用情况，可以显示无线通信系统的载波频率和通信带宽，甚至可以获得其覆盖范围和干扰水平。认知无线电系统具有获取无线电内部状态信息的能力，这些信息可以通过其配置信息、业务负载分布信息和发射功率获得。认知无线电系统具有获取相关政策信息的能力，这些政策信息规定了认知无线电系统在特定环境下可以使用的频段、最大发射功率、相邻节点的频率和带宽。认知无线电系统具有监测用户需求并根据用户需求做出决策调整的能力。如表1所示，用户的业务需求一般可分为三类:语音、实时数据(如图像)和非实时数据(如大文件包)，不同类型的业务对通信QoS的要求不同。
认知无线电系统的第二个主要特征是学习能力。学习过程的目标是通过使用先前存储在认知无线电系统中的决策和结果信息来提高性能。根据学习内容的不同，学习方法可以分为三类。第一种是监督学习，用于学习外部环境，主要是利用测量信息训练估计器；第二种是无监督学习，用于学习外部环境，主要是提取外部环境相关参数的变化规律；第三类是强化学习，用于学习内部规则或行为，主要是通过奖惩机制突出适合当前环境的规则或行为，摒弃不适合当前环境的规则或行为。按照学习机制，机器学习技术可以分为机械学习、基于解释的学习、引导学习、类比学习和归纳学习。
认知无线电系统的第三个主要特征是能够根据获得的知识动态地、自主地调整其工作参数和协议，以达到一些预定的目标，例如避免对其他无线电系统的不利干扰。认知无线电系统的可调节性不需要用户干预。它可以实时调整工作参数，以达到合适的通信质量；或者改变连接中的无线接入技术；或者调整系统中的无线资源；或者调整发射功率以减少干扰。认知无线电系统分析获取的知识，动态自主地做出决策，并对其进行重构。在做出重新配置决定之后，响应于控制命令，认知无线电系统可以根据这些决定改变其操作参数和/或协议。认知无线电系统的决策过程可能包括了解多用户和无线工作环境的需求，以及制定策略。该策略的目的是选择适当的配置来支持这些用户的相同需求。
认知无线电与其他无线电的关系
在认知无线电提出之前，已经有一些？一台收音机？软件定义无线电和自适应无线电等概念及其与认知无线电的关系如图2所示。软件无线电被认为是认知无线电系统的使能技术。软件定义无线电不需要CRS的特性就能工作。SDR和CRS处于不同的发展阶段，即已经使用了应用SDR的无线电通信系统，而CRS处于研究阶段，其应用也在研究和实验中。SDR和CRS不是无线电通信业务，而是可以在任何无线电通信业务中综合使用的技术。自适应无线电可以通过调整参数和协议来适应预设的信道和环境。与认知无线电相比，自适应无线电不能从获取的知识和决策中学习，不能通过学习改进知识获取的方式和调整相应的决策，因此不能适应预设的信道和环境。可重构无线电是一种可以通过软件控制改变硬件功能的无线电。它可以更新协议栈的一些或所有物理层波形和更高层。基于策略的无线电可以更新以适应当地的监管政策，而无需更改内部软件。对于较新的无线电网络，因特网路由器总是基于策略的。这样，网络运营商可以使用策略来控制访问权限、分配资源以及修改网络拓扑和行为。对于认知无线电来说，基于策略的技术应该能够使产品具有通用性，自动适应当地的监管要求，并在监管规则随着时间和经验发生变化时自动更新。智能收音机是一种根据以前和现在的情况预测未来，提前做出调整的收音机。与智能无线电相比，自适应无线电只是根据当前情况确定策略并进行调整，而认知无线电可以根据之前的结果进行学习、确定策略并进行调整。
认知无线电的关键技术
认知无线电系统的关键技术包括无线频谱感知技术、智能资源管理技术、自适应传输技术和跨层设计技术，是认知无线电区别于传统无线电的特色技术[4，5]。
频谱检测根据检测策略可分为物理层检测、MAC层检测和多用户协作检测，如图3所示。3.1.1物理层检测物理层检测方法主要是通过在时域、频域、空域检测是否有授权用户信号来确定授权频段是否被占用。物理层检测可以分为以下三种方式:发射机检测的主要方法包括能量检测、匹配滤波检测和循环平稳特性检测，以及基于其中一种方法的多天线检测。当授权用户接收机接收信号时，必须使用本地振荡器将信号从高频转换到中频。在这个转换过程中，一些本振信号的能量必然会通过天线泄漏出去，因此可以通过在授权用户接收机附近放置一个低功耗的检测传感器来检测本振信号的能量泄漏，从而判断授权用户接收机是否在工作。干扰温度模型使人们将评估干扰的方式从大量发射机的操作转变为发射机和接收机以自适应的方式实时交互。其基础是干扰温度机制，即通过授权用户接收干扰温度，对无线通信环境中的干扰源进行量化管理。MAC层检测主要关注在多信道条件下如何提高吞吐量或频谱利用率。此外，通过优化信道检测顺序和检测周期，检测到的可用空闲信道的数量被最大化或者信道的平均搜索时间被最小化。MAC层检测主要可以分为以下两种方式:主动检测是周期性检测，即当认知用户没有通信需求时，也会周期性地检测相关信道，利用周期性检测得到的信息可以估计信道使用情况的统计特性。被动检测也称为按需检测。认知用户只有在有通信需求时才依次检测所有授权信道，直到找到可用的空闲信道。由于多径衰落、阴影等不利因素，单个认知用户很难对是否存在授权用户信号做出正确判断，需要多个认知用户相互协作，提高频谱检测的灵敏度和准确度，缩短检测时间。协作检测结合了物理层和MAC层功能的检测技术，不仅需要针对每个认知用户的高性能物理层检测技术，还需要针对MAC层的高效调度和协调机制。
智能资源管理的目标是在满足用户QoS要求的同时，在有限的带宽上最大化频谱效率和系统容量，同时有效避免网络拥塞的发生。在认知无线电系统中，网络的总容量是时变的，因此需要采用一定的接入控制算法来保证新接入的连接不会影响网络中现有连接的QoS要求。动态频谱接入的概念模型通常可以分为三类，如图4所示。动态专用模式保留了现行静态频谱管理政策的基本结构，即频谱被授权用于特定的通信业务。该模型的主要思想是引入机会主义来提高频谱利用率，它包括频谱产权和动态频谱分配两种实现方式。开放* * *共享模式，也称频谱共享模式，这种模式将频谱开放给所有用户进行* * *共享，如ISM频段的开放* * *共享模式。分级接入模型的核心思想是将oauth2.0频谱给予未授权用户，但在一定程度上限制未授权用户的操作，以免干扰授权用户。有频谱下垫和频谱填充两种。认知无线电中的频谱分配主要基于两种接入策略:①正交频谱接入。在正交频谱接入中，在某一时刻，仅允许一个认知用户接入每个信道或载波。分配后，认知用户之间的通信信道是相互正交的，即用户之间没有干扰(或者干扰可以忽略)。② * * *享受频谱接入。在* * *频谱接入中，认知用户同时接入授权用户的多个信道或载波，用户既需要考虑授权用户的干扰容忍度，也需要考虑来自其他用户的干扰。根据授权用户的干扰容忍约束，在上述两种接入策略下，可以分为以下两种频谱接入方式:填充频谱接入和底层频谱接入。对于填充频谱接入，认知用户等待机会接入？频谱洞？他们只需要在授权用户出现时及时出售频谱，与授权用户共享信道不存在额外的干扰问题。该方法易于实现，并且不需要现有通信设备提供干扰容限参数。在underlay频谱接入模式下，认知用户和授权用户* * *享有频谱，因此需要考虑* * *使用信道时附加的干扰限制。
功率控制可以在不影响通信质量的前提下，尽可能降低发射信号的功率，从而提高信道容量，增加用户终端的待机时间。认知无线电网络中功率控制算法的设计面临一个多目标联合优化问题。由于不同目标的要求不同，有很多折中方案。根据不同的应用场景，现有的认知无线电网络中的功率控制算法可以分为两类:一类是适用于分布式场景的功率控制策略，另一类是适用于集中式场景的功率控制策略。分布式场景下的功率控制策略大多基于博弈论，有的参考传统Adhoc网络中的功率控制方法，从集中式策略开始，然后将集中式策略转化为分布式策略；而集中式场景下的功率控制策略大多利用基站集中信息处理的便利，采用联合策略，即将功率控制与频谱分配相结合或者将功率控制与接入控制一起考虑。
自适应传输可以分为基于业务的自适应传输和基于信道质量的自适应传输。基于业务的自适应传输是为了满足多业务传输的不同QoS需求，主要在上层实现，不考虑物理层的实际传输性能。目前，这种自适应传输技术在有线网络中被考虑。认知无线电可以根据感知到的环境参数和信道估计结果，利用相关技术优化无线电参数，调整相关传输策略。这里的优化是指无线通信系统在满足用户性能水平的同时，尽量减少其消耗的资源，比如尽量减少占用的带宽和功耗。物理层和媒体控制层可以调整的参数包括中心频率、调制模式、符号速率、传输功率、信道编码方法和接入控制方法。显然，这是一个非线性的多参数多目标优化过程。
现有的分层协议栈在设计时只考虑最坏的通信条件，导致无法有效利用有限的频谱资源和功率资源。跨层设计通过在现有分层协议栈的层间引入和传递特定信息来协调层间的操作，以适应复杂多变的无线通信网络环境，满足用户对各种新业务应用的不同需求。跨层设计的核心是使分层协议栈的每一层都能根据网络环境和用户需求的变化，自适应地优化网络资源的分配。在认知无线电系统中，主要有以下跨层设计技术:为了选择合适的频谱空洞，动态频谱管理策略需要考虑高层的QoS需求、路由、规划和感知信息，通信协议之间的交互和物理层的紧密结合使得动态频谱管理方案必须是跨层的。频谱移动功能需要与频谱感知等其他频谱管理功能相结合，并由* * *决定可用频段。为了估计频谱切换持续时间对网络性能的影响，需要知道链路层的信息和感知延迟。网络层和应用层也应该知道这个持续时间，以减少突然的性能下降；此外，路由信息对于使用频谱切换的路由发现过程也很重要。频谱享用的性能直接取决于认知无线电网络中的频谱感知能力，这主要是物理层的功能。然而，在合作频谱感知的情况下，认知无线电用户之间需要交换检测信息，因此频谱感知和频谱共享之间的跨层设计是必要的。在认知无线电系统中，由于多跳通信中每一跳的可用频谱可能不同，网络的拓扑配置需要知道频谱感知的信息，而认知无线电系统路由设计的主要思想之一就是路由和频谱决策相结合。
认知无线电应用场景
认知无线电系统不仅能有效利用频谱，还具有许多潜在的能力，如提高系统灵活性、增强容错性和提高能量效率。基于以上优势，认知无线电在民用和军事领域都有广阔的应用前景。
频谱效率的提高不仅可以通过提高单个无线接入设备的频谱效率来实现，还可以通过提高各种无线接入技术的存储性能来实现。这种新的频谱利用方法有望提高系统的性能和频谱的经济价值。因此，认知无线电系统的这些* * *记忆/* *享受性能改进促进了新的频谱利用方式的发展，并使得以* * *记忆/* *享受方式获得新的频谱成为可能。认知无线电系统的能力也有助于提高系统的灵活性，包括提高频谱管理的灵活性，提高设备在生命周期内运行的灵活性，提高系统的健壮性。容错是通信系统的主要性能之一，认知无线电可以有效提高通信系统的容错能力。通常，容错主要基于机内测试、故障隔离和纠错措施。认知无线电容错的另一个优势是认知无线电系统具有学习故障、响应和错误信息的能力。认知无线电系统可以根据业务需求调整工作参数，如带宽或信号处理算法，从而提高功率效率。
认知无线电需要解决的是资源的利用，其在农村应用的优势可以概括为以下几点。农村地区无线电频谱的使用主要占用广播、电视和移动通信频段。其特点是无线电频段占用与城市基本持平，电视频段利用率小于城市，移动通信频段占用小于城市。所以从频域考虑，可用频率资源比城市丰富。农村经济普遍不如城市发达，除了电视频段占用相对固定外，移动通信使用率也不如城市。因此，分配频率的利用率相对较低。由于农村地广人稀，移动蜂窝受辐射半径限制，大量地区特别是偏远地区没有移动通信频率覆盖，频率空间可用资源相当丰富。
在异构无线环境中，一个或多个运营商在分配给它们的不同频带中操作多个无线接入网络。使用认知无线电技术，允许终端具有选择不同运营商和/或不同无线接入网络的能力，并且它们中的一些还可以具有支持不同无线接入网络上的多个同步连接的能力。因为终端可以同时使用多个无线网络，所以应用的通信带宽增加。随着终端的移动和/或无线环境的变化，可以快速切换到合适的无线网络以确保稳定性。
在军事通信领域，认知无线电可能的应用场景包括以下三个方面。认知抗干扰通信。由于认知无线电赋予了无线电台感知周围环境的能力，可以提取干扰信号的特征，然后根据电磁环境感知信息、干扰信号的特征和通信业务的要求，选择合适的抗干扰通信策略，大大提高了无线电台的抗干扰水平。战场电磁环境感知。认知无线电的特点之一是融合了感应式环境感知和通信。由于每个电台既是通信电台，又是电磁环境感知电台，因此可以用来组成电磁环境感知网络，可以有效满足全天候、全频段、全地域对电磁环境感知的要求。战场电磁频谱管理。现代战场的电磁频谱不再是传统的无线电通信频谱，静态的、集中的频谱管理策略已经不能满足现代战争的灵活需求。基于认知无线电技术的战场电磁频谱管理赋予多种作战要素频谱感知能力，使频谱监测和频谱管理同时进行，大大提高了频谱监测网络的覆盖范围，拓宽了频谱管理的覆盖面。
结束语
如何提高频谱利用率来满足用户的带宽需求；如何让无线电智能化，让我们可以自主发现何时、何地、如何利用无线资源获取信息服务；如何有效地从环境中获取信息，进行学习，做出有效的决策并做出调整，这些都是认知无线电技术要解决的问题。认知无线电技术的引入为实现无线环境感知、动态资源管理、提高频谱利用率和实现可靠通信提供了强有力的支持。认知无线电具有广阔的应用前景，是无线电技术发展的又一个里程碑。
计算机论文模型2:远程无线管理控制系统的设计与研究
1简介
随着我国航天事业的发展，测量船承担的任务高密度、高强度，导致坞期任务准备越来越繁重，面临考核项目多、考核时间短、多船协调对标的现实。如何提高标杆管理的效率，保证标杆管理的安全可靠，已经成为一个亟待解决的问题。由于保密要求，原有的远程校准控制系统无法接入现有网络，铺设专网成本高，性价比低，不是首选。近年来，无线通信已成为信息通信领域发展最快、应用最广泛的技术，广泛应用于家庭、农业、工业、航空航天等领域，成为信息时代社会生活不可或缺的一部分[1]。该技术也为解决测量船校准设备的远程控制问题提供了支持。本文通过比较常用的中长距离无线通信方式，选择无线网桥，采用桥接中继的组网方式。通过开发远程设备端的网络控制模块和相应的控制软件，实现了测量船对远程设备的有效安全控制。
2无线通信模式的比较
无线通信技术是一种利用电磁波信号在自由空间传播信息的通信方式，按技术形式可分为两种:一种是蜂窝接入技术，如蜂窝数字分组数据、通用分组无线传输技术、EDGE等。二是基于局域网的技术，如WLAN、蓝牙、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。ISM频段的通信技术(如ZigBee和其他频段的数据传输模块)和无线网络技术(如GSM、GPRS和无线网桥)是长距离无线通信中常用的技术。基于ISM频段的数传模块通信频率为公共频段，产品开发没有限制，因此发展非常迅速，应用非常广泛。尤其是近年来新兴的ZigBee技术，由于其低功耗、低复杂度、低成本，特别是自组织组网，不限制网段内设备数量，可以灵活完成网络链接，在智能家居、无线抄表等网络系统的开发中得到了应用[2]。但对于该系统的开发，需要分别开发控制点和被控点的硬件模块，通过软件配置网络环境，开发周期长，开发成本高，不是该系统开发的最优方案。
GSM和GPRS这两种无线移动通信技术已经成为人们日常生活和工作中不可或缺的一部分，在无线定位、远程控制等其他领域也有着广泛的应用[3]。但由于保密、通信成本、开发成本等因素，无法应用于本系统的开发。无线网桥低成本、高效率地为该系统的研发提供了有利的支持，是该系统发展的首选。无线网桥(Wireless bridge)是无线网络的桥梁，可以桥接两个或多个网络之间的通信，也是无线接入点的一个分支。无线网桥在2分钟内工作？4GHz还是5？8GHz频段，无需申请无线牌照，因此比其他有线网络设备部署更方便，尤其适用于城市中的短距离和长距离通信。
3系统设计
远程控制系统旨在保证测量船对远程校准设备的有效控制，包括校准设备的开关、状态参数的采集等。它主要由测量船控制微机、校准设备、网络控制模块、主控微机和无线网桥组成。工作流程如下:测量船的控制微机或主控微机发出控制指令，信息通过无线桥传播；网络控制模块接收并解析指令，按照Modbus协议规定的数据格式，通过串口发送给校准装置，校准装置响应控制指令并执行；网络控制模块定时发送查询指令，将采集的状态数据打包无线发送到远程控制微机，便于操作人员监控。网络通信协议采用UDP方式，测量船的控制微机和主控微机只需要按照一定的数据格式发送或接收UDP包。网络控制模块是系统的核心组成部分，是本文研究和设计的重点。目前，常用的网络芯片主要有ENC28J60、CP2200等。这里选用C28J60，设计加工了基于STC89C52RC单片机的硬件电路。通过网络信息处理软件模块的开发，满足网络信息交互的功能需求；通过开发Modbus串口协议软件模块，满足了校准设备的监控功能，实现了系统设计目标。
3.1联网模式
无线网桥有三种工作模式，即点对点、点对多点和中继连接。根据系统的控制要求和环境因素，系统采用继电器连接方式，其网络拓扑如图1所示。从图中可以清楚地看到，这种中继连接方式在远程控制端布置了两个无线网桥，分别与主控点和客户端进行通信，通过网络控制模块完成数据交互，从而完成组网。
3.2安全预防措施
因为是开放式设计，无线网络安全是必须考虑的问题。系统的特点是不定期或全天候启动，机密数据只有频率参数，受控设备本身有保护措施(协议保护)。因此，系统的设计重点在于防范接入点和攻击，采取的措施包括登录密码设施、网络密钥设置、固定IP、数据结构的机密数据动态加密等。，从而防止？被黑？。同时采用网络避雷装置，防止雷击损坏。
3.3网络控制模块的设计
3.3.1硬件设计
网络控制模块的功能是接收命令信息和发送状态信息，并通过串口实现与校准设备的信息交互。其硬件电路主要由MCU(微控制器)、ENC28J60(网络芯片)、Max232(串行芯片)及外围电路组成，其电气原理图如图2所示。硬件设计的核心是MCU和网络芯片的选择。本系统MCU选用的STC89C52RC单片机是一款低功耗高性能的CMOS8位微控制器，可以通过串口直接下载，为许多嵌入式控制应用系统提供了高度灵活、超级有效的解决方案。罓C28J60是M-microchip公司生产的高度集成的以太网控制芯片。其接口符合IEEE802.3协议，仅28个引脚即可提供相应功能，大大简化了相关设计。罔C28J60提供SPI接口，通过两个中断引脚和SPI实现与MCU的通信，数据传输速率为10 mbit/s，ENC28J60符合IEEE802.3的所有规范，采用一系列包过滤机制限制传入数据包，并提供内部DMA模块实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算[4]。罔C28J60采用HR911102A作为其外部网络接口。内置网络变压器、电阻网络和状态显示灯，具有信号隔离、阻抗匹配和干扰抑制的特点，可提高抗干扰能力和收发的稳定性。
软件设计。
网络控制模块的软件设计主要包括两个部分。一是基于SPI总线的ENC28J60的驱动程序编程，包括以太网数据帧结构和数据收发器的定义和初始化。第二种是Modbus协议，其软件流程如图3所示。
驱动程序编程
(1)以太网数据帧结构一个符合IEEE802.3标准的以太网帧的长度在64 ~ 1516字节之间，主要由目标MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段、数据净荷、可选填充字段和循环冗余校验组成。此外，当通过以太网介质发送数据包时，一个7字节的前同步码字段和一个1字节的帧起始定界符会附加到以太网数据包的开头。以太网数据包的结构如图4所示。(2)驱动程序编程1)ENC28J60的寄存器读写规则由于ENC28J60芯片采用SPI串行接口方式，读写内部寄存器的规则是第一个操作码+寄存器地址
ModBus协议流程
本系统中ModBus协议的数据通信采用RTU模式[5]。作为主节点，网络控制模块通过串口与从节点(校准设备)建立连接。主节点定期向从节点发送查询命令，并根据从节点的响应命令向主节点发送设备状态信息。当检测到网络数据时，从ENC28J60接收到的数据包中解析出命令，并根据Modbus数据帧结构将相应的功能代码和数据组帧发送给从节点；相应的从节点响应控制命令来设置设备参数。
4系统调试和验证
测试调试环境按照图1布置，主要包括5个无线网桥、1主控点、2个客户端、1网络控制模块板和校准设备等。主要测试包括网络通信效果、网络控制能力和简单的安全防护测试。测试结论:网络连接可靠，各控制点能够安全控制远程设备，具有一定的安全防护能力，完全满足远程设备的控制要求。
5结束语
本文从实际需求出发，比较了当前流行的无线通信技术，选择无线网桥来实现远程控制系统的网络化。通过开发网络控制模块和相应的控制软件，开发了一套测量船远程控制设备系统。多艘测量船的应用表明，采用无线网桥组网完全满足系统设计要求，具有高安全性、高可靠性和高扩展性等优点，在日益繁重的保障任务中发挥了重要作用。该系统采用的无线组网方式和硬件电路设计方案对其他相关控制领域具有一定的参考价值。