張洪欣，張起彤，劉錦宇

(1.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京100876;2.北京郵電大學(xué)安全生產(chǎn)智能監(jiān)控北京市重點實驗室，北京100876)

2.4 GHz頻段的短距離無線通信技術(shù)如WiFi、藍(lán)牙、ZigBee以及SimpliciTI等，給人們的生活帶來便捷。但隨著上述無線接入設(shè)備的種類和數(shù)量急劇增多，導(dǎo)致目前ISM頻段頻譜資源日漸緊張，頻譜干擾問題越來越嚴(yán)重［1］。因此如何進(jìn)一步提高2.4 G無線協(xié)議的頻譜利用率是一個亟需研究的課題。

頻率捷變(frequency agility，F(xiàn)A)是 SimpliciTI協(xié)議用于實現(xiàn)動態(tài)頻譜遷移以規(guī)避信道干擾的一種手段［2］。它通過測定 RSSI(received signal strength indicator)值的方法進(jìn)行簡單的能量檢測以感知無線頻譜的干擾程度［3］。網(wǎng)絡(luò)初始化后，AP節(jié)點會不斷對當(dāng)前信道干擾情況進(jìn)行評估，一旦干擾值連續(xù)大于預(yù)設(shè)門限，則啟用頻率遷移，通過向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播幀來通知其他節(jié)點切換到下一個信道。如果下一個信道干擾檢測結(jié)果仍無法滿足要求，則通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點繼續(xù)遷移到下一信道，直至找到空閑信道。

FA機(jī)制提高了SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，使通信的可靠性增強(qiáng)，然而FA機(jī)制依然存在一些缺陷:由于FA機(jī)制進(jìn)行能量檢測時未禁止其他節(jié)點的通信，因此一旦在檢測時間窗內(nèi)同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他節(jié)點嘗試發(fā)送消息將會干擾檢測結(jié)果，產(chǎn)生自干擾問題，最終降低檢測干擾的靈敏度;同時，F(xiàn)A機(jī)制是由AP單個節(jié)點進(jìn)行本地能量檢測，導(dǎo)致陰影效應(yīng)以及多徑衰落等一系列問題無法避免，存在隱藏終端現(xiàn)象，影響頻譜檢測的實際效果。

近年來認(rèn)知無線電的發(fā)展使得頻譜感知在理論和實踐方面都得到了較大推進(jìn)［4］。其中集中式協(xié)作頻譜檢測是頻譜感知的重要方法，可以減小多徑、陰影的影響，避免隱藏終端問題，提高頻譜檢測的整體性能［5-6］。但是集中式協(xié)作檢測方法需要一條公共信道來匯集各節(jié)點的感知信息，這不可避免地帶來了一定的額外的信道開銷，而且實際環(huán)境中公共信道的帶寬是受限的，因此需要對傳輸?shù)母兄畔⑦M(jìn)行量化和壓縮［7］。而硬判決協(xié)作檢測方法由于可以有效地壓縮感知信息而在近年來得到了廣泛的研究，Zakaria A等提出的優(yōu)化集中式或準(zhǔn)則［8］、Lin Xiao等提出的帶權(quán)協(xié)作檢測機(jī)制［9］以及Reisi N等提出的線性融合算法［7］等方法均從理論上對集中式硬判決協(xié)作檢測做出了優(yōu)化。而Wei Zhang的研究指出［10］，與其他1 bit硬判決規(guī)則相比，基于半投票(Half-voting)規(guī)則的協(xié)作頻譜檢測可以在大部分情況下達(dá)到相對較佳的檢測性能，該方法實現(xiàn)簡單，具有較高的實用價值，因此可以將該方法用于對實際無線傳感網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)。本文將首先討論集中式協(xié)作檢測頻譜檢測的一般方法，之后結(jié)合基于半投票規(guī)則的協(xié)作頻譜檢測方法提出協(xié)作頻率捷變(cooperative frequency agility，CoFA)機(jī)制，對原FA機(jī)制的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，并通過實驗測試證明此方法可以有效地解決自干擾和隱藏終端等問題，能夠顯著提升SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)的頻譜檢測性能。

1 基于半投票規(guī)則的協(xié)作頻譜檢測

1.1 集中式協(xié)作頻譜檢測原理

集中式協(xié)作頻譜檢測的一般步驟如圖1所示，其中對于認(rèn)知用戶節(jié)點CRN來說，rN為其本地?zé)o線環(huán)境的真實頻譜信息，該信息經(jīng)CRN接收機(jī)獲取后得到能量值YN，之后CRN根據(jù)本地判決規(guī)則進(jìn)行本地判決，得出本地判決結(jié)果UN并發(fā)送給融合中心(fusion center，F(xiàn)C)，融合中心進(jìn)行信息融合后得出最終判決結(jié)果，假設(shè)H0代表信道空閑，假設(shè)H1代表信道被占用。

圖1 集中式協(xié)作頻譜檢測模型Fig.1 Centralized cooperative spectrum sensing model

假設(shè)一個存在于加性高斯白噪聲(AWGN)環(huán)境下的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中共有K個獨(dú)立的感知節(jié)點和一個決策中心FC。則對于任意感知節(jié)點CRi，其當(dāng)前時間實際頻譜發(fā)現(xiàn)信息為

式中:s(t)為主用戶信號，ni(t)為加性高斯白噪聲，hi是主用戶和CRi之間的復(fù)雜信道增益，在此假設(shè)信道在頻譜檢測過程中是時不變的。CRi接收機(jī)檢測所獲得的能量值統(tǒng)計量Yi服從分布［10］:

式中:γi是CRi的瞬時接收信噪比，u=TW是時間帶寬乘積，χ22u代表了自由度為2u的中心卡方分布，而χ22u(2γi)表示自由度為2u非中心參數(shù)為2γi的非中心卡方分布。對于單門限硬判決規(guī)則，本地判決結(jié)果可表示為

式中:H0表示本地判決為空閑，H1代表本地判決為被占用。根據(jù)式(3)，CRi本地判決的虛警概率Pf，i、檢測概率Pd，i和漏檢概率Pm，i分別為［11］

1.2 基于半投票規(guī)則的協(xié)作頻譜檢測方法

為方便討論，本文假設(shè)用于交換感知信息的控制信道為理想信道，則各感知節(jié)點通過該信道將本地判決信息發(fā)送給FC，F(xiàn)C隨后根據(jù)融合算法做出最終判決，可以表示為Z:

基于硬判決的頻譜協(xié)作的基本方法為“與(AND)”規(guī)則、“或(OR)”規(guī)則和“K”秩規(guī)則，可以統(tǒng)一表示為［10］

式中:n為最小決策數(shù)，當(dāng)n=1時為“與(AND)”規(guī)則，當(dāng)n=10時為“或(OR)”規(guī)則，當(dāng)n=K時為“K”秩規(guī)則。由于感知節(jié)點之間一般相距較近，可以假設(shè)各節(jié)點的接收信號經(jīng)歷了同樣的信道衰減，此處設(shè)其滿足獨(dú)立同分布的瑞利衰落，則 γ1，γ2，…，γK為獨(dú)立同分布指數(shù)隨機(jī)分布變量，且均值統(tǒng)一為。同時設(shè)所有認(rèn)知節(jié)點的能量門限均為λ，則由式(4)～(5)，可認(rèn)為本地判決虛警概率Pf，i和檢測概率Pd，i獨(dú)立于i，可統(tǒng)一表示為Pf，i和Pd，i。得到最終判決虛警概率Qf和漏檢概率Qm為

由式(9)～(10)可得不同最小決策數(shù)n的情況下，誤檢概率Qf+Qm的分布，圖2仿真結(jié)果表明，在感知節(jié)點均勻隨機(jī)分布且位置較近的情況下，半數(shù)表決規(guī)則(n=K/2)與其他規(guī)則相比具有較佳的檢測性能。

圖2 不同n時的誤檢概率，其中K=10，SNR=20 dBFig.2 Total error probability when n=1，2，…，10 ，K=10 and SNR=20 dB

2 協(xié)作頻率捷變在SimpliciTI的實現(xiàn)

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功率受限，正常通信距離為15 m以內(nèi)［12］。由于節(jié)點間距離較近，因此可以認(rèn)為感知節(jié)點間的噪聲狀況基本一致，符合半投票規(guī)則協(xié)作頻譜檢測的適用條件。因此結(jié)合上述方法提出基于半投票協(xié)作頻譜檢測的協(xié)作頻率捷變機(jī)制，并對其在SimpliciTI協(xié)議上的實現(xiàn)進(jìn)行討論。

2.1 基于周期同步半投票協(xié)作檢測的CoFA接入機(jī)制

集中式協(xié)作頻譜檢測需要一個融合中心(FC)進(jìn)行決策融合。對于星型拓?fù)涞腟impliciTI網(wǎng)絡(luò)，可以選擇AP作為融合中心，同時網(wǎng)絡(luò)中其他ED、RE節(jié)點在按照約定的時間周期向AP發(fā)送本地判決信息，AP收到后結(jié)合自身本地判決結(jié)果，做出最終頻譜判決。然而集中式協(xié)作頻譜檢測還要求一個公共信道用于感知節(jié)點上報判決信息，作為僅擁有16個數(shù)據(jù)信道的SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)，由于各個信道間頻段相鄰，且均有可能收到外界干擾，因此不適合靜態(tài)分配一個頻段作為控制信道。為了分配上述控制信道，并針對前文中已討論的原有FA機(jī)制中能量檢測時受到同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信影響而產(chǎn)生的自干擾問題，本文提出了一種基于周期同步和半投票協(xié)作檢測的協(xié)作頻率捷變(CoFA)接入機(jī)制，在SimpliciTI原有的載波檢測/沖突避免(CSMA/CA)隨機(jī)競爭時分接入機(jī)制的基礎(chǔ)上加入CoFA周期，其接入模型如圖3所示。

圖3 CoFA機(jī)制時分接入模型Fig.3 CoFA access mechanism model

整個接入周期分為CoFA周期和競爭接入周期，后者與原SimpliciTI協(xié)議的隨機(jī)競爭接入機(jī)制相同。而CoFA周期的流程如圖4所示，包括信標(biāo)幀同步階段、能量檢測階段、決策融合階段以及頻譜遷移階段。在信標(biāo)幀同步階段，AP向全網(wǎng)廣播Co-FA信標(biāo)，其他節(jié)點在收到后立即暫停當(dāng)前通信，進(jìn)入到能量檢測周期。在能量檢測周期內(nèi)，全網(wǎng)節(jié)點靜默并進(jìn)行能量檢測，并得出本地判決結(jié)果。在決策融合節(jié)段，各節(jié)點隨機(jī)主動退避隨機(jī)時間后，將本地1 bit判決結(jié)果發(fā)送給AP，其中隨機(jī)退避是為了避免瞬時數(shù)據(jù)擁塞。AP在接收到全部節(jié)點判決結(jié)果后結(jié)合本地判決結(jié)果得出最終判決，并根據(jù)判決結(jié)果決定是否進(jìn)行頻譜遷移。

圖4 CoFA周期的實現(xiàn)過程Fig.4 The process of CoFA period

可以看出，圖4流程能夠使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點在頻譜檢測時間窗內(nèi)同步停止通信，從而解決了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的自干擾問題，同時利用這一時間段的工作信道進(jìn)行本地判決的上報，實現(xiàn)了控制信道的分配。

2.2 本地能量檢測門限的確定

半投票協(xié)作檢測方法的實現(xiàn)需要首先確定檢測節(jié)點的本地能量檢測門限，而由前文分析討論可知，最佳能量檢測門限在確定接收信噪比SNR和時間帶寬乘積u情況下可由式(9)～(10)給出。由TI數(shù)據(jù)手冊可知［3］，SimpliciTI節(jié)點接收機(jī)的分辨率為-105 dBm，碼元周期為T=16 μs，單邊帶寬為W=0.5 MHz，因此可以確定u=TW=8。且實際測試表明在典型環(huán)境下SimpliciTI接收幀的能量值為-85 dBm［12］，因此可以得出平均接收信噪比為20 dB。遵循半投票原則，設(shè)定判決通過數(shù)n=K/2，其中K為總節(jié)點數(shù)。由式(9)～(10)可得出不同K值下的對應(yīng)最小錯判概率的最佳能量門限值。如圖5所示，隨著節(jié)點總數(shù)K值的增大，最佳能量門限接近于30 dB，因此可以確定實際檢測能量門限值λ=-105 dBm+30 dB=-75 dBm。

圖5 K=5，6，…15時對應(yīng)的最佳門限，u=8，SNR=20 dBFig.5 The best threshold when K=5，6，…，15 ，u=8，SNR=20 dB

2.3 CoFA接入機(jī)制在SimpliciTI上的實現(xiàn)

SimpliciTI協(xié)議應(yīng)用層操作系統(tǒng)采用的是中斷服務(wù)(interrupt service routine，ISR)處理前臺事件、主循環(huán)函數(shù)執(zhí)行后臺任務(wù)的前后臺系統(tǒng)。因此Co-FA機(jī)制可以通過AP節(jié)點時鐘中斷的周期性調(diào)度、后臺函數(shù)執(zhí)行任務(wù)的方式來實現(xiàn)。遵循上述原則，CoFA機(jī)制在協(xié)議中的實現(xiàn)方法如圖6所示。

系統(tǒng)通過MRFI層中的系統(tǒng)時鐘ISR將CoFA任務(wù)的調(diào)度標(biāo)志周期性置1，而主循環(huán)的后臺任務(wù)函數(shù)FABackground()會隨時判斷該標(biāo)志并決定是否執(zhí)行CoFA周期，并通過增加了發(fā)送CoFA信標(biāo)的功能的NWK_API層FREQ接口廣播CoFA信標(biāo)，使得FABackground()函數(shù)協(xié)調(diào)全網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行同步的協(xié)作頻譜檢測和頻率捷變。而在認(rèn)知從設(shè)備ED或RE上，則采取ISR的方式響應(yīng)AP的CoFA請求和頻率捷變請求。

圖6 CoFA機(jī)制在SimpliciTI上的實現(xiàn)流程Fig.6 The implementation of CoFA in SimpliciTI

3 測試結(jié)果與分析

本文選用兼容SimpliciTI協(xié)議的無線控制器CC2530作為SimpliciTI協(xié)議的硬件測試平臺，測試地點為50 m×50 m的開闊區(qū)域，如圖7所示。干擾源采用市售Zigbee協(xié)議設(shè)備，通過編寫精簡物理層發(fā)送程序，使其工作頻段與被測網(wǎng)絡(luò)相同，且測試時保持無退避地強(qiáng)制滿載發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)。

圖7 實測場景和硬件測試平臺Fig.7 The real testing scenario and the testing platform

3.1 自干擾測試

自干擾測試方案如圖8所示，在無干擾源的測試環(huán)境中央，放置由一個AP節(jié)點和4個ED節(jié)點組成的被測SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)，ED節(jié)點均勻排布在以AP為中心的圓周線上，圓周半徑在測試中依次取不同的值，以觀測不同距離下同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在通信時對FA機(jī)制和CoFA機(jī)制的影響。

首先開啟采用CoFA機(jī)制SimpliciTI協(xié)議的AP節(jié)點，其他ED節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后開始連續(xù)發(fā)送廣播幀，改變AP和ED間的距離，記錄在不同距離下CoFA機(jī)制的誤檢測率。然后開啟采用原SimpliciTI協(xié)議的AP節(jié)點和ED節(jié)點，用同樣的測量方法記錄其誤檢測率。每種場景每一秒鐘記錄一次檢測結(jié)果，經(jīng)1 000次記錄后，統(tǒng)計平均得出測試結(jié)果如圖9和表1所示。

圖8 自干擾測試方案Fig.8 The testing case of self-interference

圖9 不同距離下的虛警率Fig.9 False alarm rate in different distances

表1 不同距離下FA機(jī)制與CoFA機(jī)制的虛警率測試結(jié)果Table 1 False alarm rate of FA and CoFA in different distance

由測試結(jié)果可見，在網(wǎng)絡(luò)滿負(fù)載的情況下，ED節(jié)點的通信行為會對FA機(jī)制的頻譜檢測行為造成嚴(yán)重的干擾;而若網(wǎng)絡(luò)采用CoFA機(jī)制，則頻譜檢測幾乎不受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況的影響，自干擾問題得到了有效解決。

3.2 檢出率測試

檢出率測試方案如圖10所示:在與AP相距15 m處放置一個干擾源，通過編程控制其以不同的功率發(fā)送干擾信號，同時圍繞著半徑為15 m的圓周緩慢移動。以比較CoFA機(jī)制SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)和原SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)在不同干擾功率下的檢測表現(xiàn)。

首先開啟采用CoFA機(jī)制SimpliciTI協(xié)議的上述網(wǎng)絡(luò)，并在運(yùn)行過程中通過片上程序記錄在不同干擾功率下其頻譜檢測檢出率。然后單獨(dú)開啟采用原SimpliciTI協(xié)議的AP節(jié)點，用同樣的測量方法記錄其檢出率。每種場景沒一秒鐘記錄一次檢測結(jié)果，經(jīng)1 000次記錄后，統(tǒng)計平均得出測試結(jié)果如圖11和表2所示。

圖10 檢出率測試方案Fig.10 The testing case of detection rate

圖11 不同干擾功率下CoFA與FA的檢測率對比Fig.11 Detection rate of FA and CoFA under different interference powers

表2 不同干擾功率下的檢出率測試結(jié)果Table 2 Detection rate under different interference powers

由測試結(jié)果可見，當(dāng)干擾源功率小于-2 dBm時，AP檢出率低于50%，此時FA單點檢測機(jī)制無法準(zhǔn)確的檢測信道干擾，隱藏終端問題較為嚴(yán)重，而CoFA機(jī)制可以匯總所有終端的判決結(jié)果，使得檢出率提升1倍以上，從而有效地避免了隱藏終端問題;即使在干擾源功率較大的情況下，由于協(xié)作頻譜檢測可以有效降低檢測過程中的陰影和多徑效應(yīng)，因此檢出率也比AP單節(jié)點檢測有顯著提高。統(tǒng)計結(jié)果表明，在不同的干擾功率下，采用CoFA機(jī)制可以使檢出率平均提高42%。

4 結(jié)束語

本文討論了半投票協(xié)作頻譜檢測在SimpliciTI協(xié)議上的應(yīng)用。在確定實現(xiàn)協(xié)作檢測所需的相關(guān)參數(shù)的情況下，計算得出了最佳實際能量檢測門限值，并基于半投票規(guī)則的集中式協(xié)作頻譜檢測提出了CoFA機(jī)制。實驗測試證明CoFA機(jī)制能夠有效地解決傳統(tǒng)FA機(jī)制的自干擾問題。同時證明協(xié)作頻譜檢測方法可以使得FA機(jī)制的檢測率得到大幅度的提升，體現(xiàn)了其抗多徑、陰影效應(yīng)和隱藏終端問題的優(yōu)勢，以及用于優(yōu)化實際網(wǎng)絡(luò)的可行性。然而采用集中式協(xié)作頻譜檢測會給中心節(jié)點帶來較大的通信開銷，節(jié)點較多時將產(chǎn)生嚴(yán)重的漏斗效應(yīng)，同時實際信道引入的傳輸誤碼會影響融合判決的準(zhǔn)確性，因此如何進(jìn)一步優(yōu)化檢測方法解決上述問題將成為下一步的研究方向。

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