張羽

摘 要：針對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶的機(jī)會(huì)頻譜接入問題，本文提出了一種新的分布式跨層頻譜接入的算法。此算法針對(duì)多認(rèn)知用戶貪心算法自私性的缺點(diǎn)，引入了分布式協(xié)作接入的方法，并給出了詳細(xì)的算法流程和MAC層設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。仿真結(jié)果表明，本文提出的方案在系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率的性能上具有良好的性能和可行性。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)；頻譜接入；可觀測(cè)馬爾科夫決策過程；MAC

1 引言

隨著各種通信業(yè)務(wù)的不斷增加，無線頻譜資源緊缺已成為日益突出的問題，另一方面無線頻譜源的實(shí)際使用效率卻比較低。認(rèn)知無線電CR（Cognitive Radio）技術(shù)被認(rèn)為是解決這一矛盾的有效方案，頻譜接入技術(shù)是CR的關(guān)鍵技術(shù)之一。

文獻(xiàn)[1]中，引入了預(yù)測(cè)無中心控制行為的馬爾可夫鏈模型頻譜接入模型。文獻(xiàn)[2]提出了一個(gè)框架來最大化POMDP的性能，并使用貪心的方法來降低其復(fù)雜性。但是，自私的貪心算法在網(wǎng)絡(luò)引起頻繁碰撞，降低頻譜接入效率。文獻(xiàn)[3]提出一個(gè)三維馬爾可夫鏈分析頻譜接入方案，改善阻塞概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。但是，作者沒有考慮碰撞概率的存在和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的檢測(cè)錯(cuò)誤。文獻(xiàn)[4]提出了一個(gè)跨層自適應(yīng)的頻譜接入方案，以及文獻(xiàn)[5]提出了新的頻譜接入方案。然而，這些算法[4][5]忽略了算法的復(fù)雜性和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中存在的檢測(cè)錯(cuò)誤。文獻(xiàn)[6]考慮了主用戶的影響，對(duì)馬爾可夫鏈模型進(jìn)行了修改，增加了模型的魯棒性。考慮到網(wǎng)絡(luò)中頻譜接入的安全性，文獻(xiàn)[7]提出了基于博弈論的馬爾科頻譜接入方案。

通過以上的分析，本文考慮存在的用戶碰撞和感知錯(cuò)誤的情況下，提出了分布式路由和動(dòng)態(tài)頻譜接入的跨層設(shè)計(jì)方案來避免頻繁碰撞勢(shì)在必行。

2 分布式路由和協(xié)作頻譜接入方案

為簡(jiǎn)單起見，我們假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)相互的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)。有兩種類型的用戶，即：主用戶（PUs），有權(quán)在任何時(shí)間占用頻譜；次用戶（SUs），可以訪問頻譜，并在沒有對(duì)主用戶造成一定干擾的情況下，可以接入頻譜?？紤]一個(gè)頻段中包括N個(gè)信道，每個(gè)可用的頻譜帶寬為B。其中，有控制信道（CCC）和數(shù)據(jù)信道通道用于數(shù)據(jù)通信。信息到達(dá)過程的行為被假定為泊松過程和信息到達(dá)速率為λ。基于貪心算法的POMDP模型的介紹具體可參考文獻(xiàn)[2]，本文就在此就不在列舉。

為簡(jiǎn)單起見，我們假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)收發(fā)器，一個(gè)是公共信道傳輸控制器，另一個(gè)是一個(gè)可重構(gòu)的收發(fā)器。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，由于貪心算法的自私性質(zhì)導(dǎo)致多個(gè)SUs頻繁碰撞，會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜效率性能，所以我們提出一種改進(jìn)的算法，命名為分布式協(xié)作方案的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)（DCCMAC），為認(rèn)知用戶提供可以進(jìn)行頻譜信息的交換平臺(tái)。

DCCMAC方案如圖1所示，3路握手方式是通過發(fā)送請(qǐng)求（RTS）、清零請(qǐng)求（CTS）和數(shù)據(jù)傳輸預(yù)定（DTS）幀交換進(jìn)行的。與IEEE802.11的RTS和CTS兩路握手類似，反向節(jié)點(diǎn)在通用控制通道（CCC）競(jìng)爭(zhēng)頻譜接入通路。實(shí)際上DCCMAC的3路握手協(xié)議與IEEE802.11使用的RTS和CTS兩路握手不同，所有控制包有不同的結(jié)構(gòu)和功能。這里，我們強(qiáng)化RTS/CTS包并引進(jìn)RTR包來通告頻譜預(yù)留，并轉(zhuǎn)達(dá)此消息到相鄰節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽RTS/CTS/DTS數(shù)據(jù)包做出自適應(yīng)決策，圖2展示了這一過程。

從圖1，我們可以看到，發(fā)射機(jī)使用RTS數(shù)據(jù)包宣布接收機(jī)。一旦收到RTS包，接收機(jī)就在短暫的幀間間距（SIFS）時(shí)通過CTS包進(jìn)行響應(yīng)，并調(diào)整收發(fā)機(jī)到RTS數(shù)據(jù)包中指定的頻率傳輸數(shù)據(jù)。選擇中繼在收到RTS和CTS后將會(huì)發(fā)出一個(gè)RTR數(shù)據(jù)包，RTR包用于通告鄰居節(jié)點(diǎn)頻譜預(yù)留和傳輸功率，并通知接收機(jī)中繼的現(xiàn)狀。一旦RTS/CTS，DTS成功進(jìn)行交互，發(fā)送機(jī)、中繼和接收機(jī)都將調(diào)整頻率到選擇的頻譜部分。在傳輸之前，感知選擇的頻譜， 如果頻譜空閑，發(fā)送機(jī)不需要延遲就開始數(shù)據(jù)傳輸。注意有可能發(fā)送機(jī)、中繼和接收機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸前發(fā)現(xiàn)選擇的頻譜繁忙，這可能是由于主

用戶出現(xiàn)或者由于丟失控制包引起的沖突所致。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)放棄選擇的頻譜，并回到控制通道要求進(jìn)一步協(xié)商。在RTS/CTS/DTS交換期間，如果發(fā)送機(jī)選擇的頻譜不能夠被全部使用，接收機(jī)正好感知到主用戶的存在，接收機(jī)不會(huì)響應(yīng)發(fā)送CTS。同樣，對(duì)于中繼節(jié)點(diǎn)也是如此。當(dāng)?shù)却鼵TS計(jì)時(shí)器超時(shí)并且達(dá)到RTS重傳界限時(shí)，發(fā)送機(jī)也會(huì)回到控制通道重新進(jìn)行協(xié)商。

這種方法避免SUs避免頻譜接入的頻繁碰撞，保證了認(rèn)知用戶頻譜接入的公平性。

3 仿真結(jié)果與分析

圖2顯示了在考慮感知錯(cuò)誤與最大碰撞概率Pc，max所允許的情況下，對(duì)本文提出的算法的性能與其它方案進(jìn)行了比較。從圖2（a）所示，隨著允許的碰撞概率Pc增大，所有方案的性能都有所提高。因?yàn)楫?dāng)Pc變大，虛警概率Pf變小，相應(yīng)的認(rèn)知用戶的吞吐量就會(huì)增加，同時(shí)也導(dǎo)致了更多的SUs之間的沖突。從圖2（b），由于貪心算法的自私性使得SUs頻繁碰撞，所以整體的頻譜效率的隨著Pc增大而減小。然而，我們的分布式合作頻譜接入算法可以保持整個(gè)頻譜效率在一個(gè)較為理想的范圍，是因?yàn)镾Us之間相互知道的頻譜接入的預(yù)留信息，這樣SUs避免接入相同的頻段，可以減少網(wǎng)絡(luò)中頻繁的碰撞。

4 結(jié)論

本文通過引入分布式協(xié)調(diào)團(tuán)體和協(xié)作接入的概念，研究了基于POMDP的分布式跨層頻譜接入算法，使認(rèn)知用戶間可以互相交換信息。根據(jù)POMDP模型的特點(diǎn)，給出了具體的算法流程圖和MAC層設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。通過仿真對(duì)比分布式協(xié)作接入算法和貪心接入算法，分布式協(xié)作接入算法在克服了貪心接入算法的自私性不足后，在系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率兩項(xiàng)關(guān)鍵的性能指標(biāo)上，相比貪心接入算法有了明顯的提升。

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