劉俊霞，卜 宇，劉智勇

（1.新疆工程學(xué)院 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊　830023；2.新疆工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，新疆 烏魯木齊　830023）

基于信道分配矩陣的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)頻譜分配方案

劉俊霞1，卜 宇2，劉智勇1

（1.新疆工程學(xué)院 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊830023；2.新疆工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，新疆 烏魯木齊830023）

針對(duì)現(xiàn)有認(rèn)知無(wú)線電（CR）網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配方案沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)故障的問(wèn)題，提出一種具有容錯(cuò)功能的基于信道分配矩陣的CR網(wǎng)絡(luò)頻譜分配方案。首先，二級(jí)用戶（SU）通過(guò)協(xié)作感知構(gòu)建可用信道列表并發(fā)送給簇頭（CH）。然后，簇頭構(gòu)建可用信道矩陣，并通過(guò)信道分配算法構(gòu)建信道分配矩陣（CAM），完成信道分配。當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或恢復(fù)時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整信道分配矩陣，以最少的重分配過(guò)程完成信道分配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠很好的均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，且具有較高的頻譜利用率。

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)；信道分配矩陣；頻譜分配；容錯(cuò)；負(fù)載均衡

由于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用的固定頻譜分配政策的頻譜利用率非常低，由此，研究人員提出了認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)［1］。其基本思想是：在不對(duì)占用頻譜的主要用戶（Primary User，PU）產(chǎn)生干擾的前提下，使二級(jí)用戶（Secondary User，SU）通過(guò)擇機(jī)的方式接入暫時(shí)空閑的PU頻段，以提高頻譜利用效率［2］。目前，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（CRN）中的研究大多集中于協(xié)作頻譜感知（Cooperative Spectrum Sensing，CSS），在復(fù)雜的無(wú)線電環(huán)境條件（如重陰影和深多徑衰落）下，改善CR的檢測(cè)性能。然而，通過(guò)CSS改善檢測(cè)性能的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通信開(kāi)銷（即帶寬需求）的增加。為此，基于簇的頻譜感知（CBSS）被用來(lái)最小化開(kāi)銷，改善傳統(tǒng)CSS的檢測(cè)性能［3］。此外，基于簇的方案還被用于減少傳感延遲和避免控制信道的擁塞。

在傳統(tǒng)的基于簇的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)中，將認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)劃分為簇，每個(gè)簇都包含一個(gè)簇頭（CH）和多個(gè)簇成員（CM），其中簇頭為具有最大信道增益的CR。目前，學(xué)者提出了多種基于簇的CSS方案，例如文獻(xiàn)［4］提出了在非理想信道下的基于CSS的一個(gè)傳統(tǒng)簇，使用OR規(guī)則作為聚合規(guī)則。相比于集中式的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)，有效提高了傳感性能。然而，其并沒(méi)有考慮頻譜效率。文獻(xiàn)［5］提出一種基于多簇多分組（MCMG）的CSS的算法，其將每個(gè)簇被劃分為多個(gè)分組，每個(gè)分組都有一個(gè)組頭，組頭根據(jù)組成員的檢測(cè)作出組決策，然后將其報(bào)告給CH，CH使用K-out-of-N規(guī)則對(duì)組頭發(fā)送的信息進(jìn)行聚合。然后，CH向聚合中心（Fusion Center，F(xiàn)C）報(bào)告其簇決策。最后，由FC作出PU存在的最終決策。然而，這些方案都沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)的場(chǎng)景。

在CRN中，二級(jí)用戶經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障，為了最小化故障對(duì)信道利用率和負(fù)載均衡的影響，需要找到一種有效的分配策略，當(dāng)出現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)時(shí)能夠重新分配信道。當(dāng)二級(jí)用戶從故障中恢復(fù)時(shí)，能夠恢復(fù)節(jié)點(diǎn)信道［6］。為此，文中提出一種負(fù)載均衡且具有容錯(cuò)能力的CRN頻譜分配方案。根據(jù)SU感知生成的可用信道列表，CH生成一個(gè)信道分配矩陣（Channel Allocation Matrix，CAM），實(shí)現(xiàn)信道的均衡利用。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，只需要少量的重分配過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)頻譜負(fù)載均衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中方案具有較高的負(fù)載均衡能力和頻譜利用率。

1　認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)模型

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，由于固定頻譜分配機(jī)制的資源利用率低，在空域、時(shí)域和頻域都會(huì)出現(xiàn)冗余的、可以被利用的頻率資源，這些頻率資源被稱為“頻譜空穴”［7］，如圖1所示。認(rèn)知無(wú)線電的基本思想就是基于如何有效地利用這些“頻譜空穴”。

圖2所示為一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)模型，認(rèn)知系統(tǒng)在一個(gè)協(xié)作區(qū)域內(nèi)包含N個(gè)SU和一個(gè)中心控制器，中心控制器負(fù)責(zé)組織區(qū)域內(nèi)的SU進(jìn)行協(xié)作頻譜感知［8］。協(xié)作頻譜感知中，SU協(xié)作感知PU是否為活躍狀態(tài)。在感知頻譜后，SU發(fā)送感知結(jié)果到中心控制器進(jìn)行信息融合。中心控制器根據(jù)感知的頻譜狀態(tài)做出全局策略，如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)頻譜未被占用，則授權(quán)一個(gè)用戶來(lái)利用該頻譜。協(xié)作頻譜感知可通過(guò)空間差異來(lái)克服由于大物體引起的緩慢衰減效應(yīng)和多路徑傳播和移動(dòng)引起的快速衰減［9-10］。

圖2　協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)模型

2　提出的容錯(cuò)頻譜分配方案

2.1系統(tǒng)模型

一個(gè)CRN（N，M）由N個(gè)SU構(gòu)成，這N個(gè)SU共享M個(gè)信道集合C=｛C1，C2，…，CM｝。將網(wǎng)絡(luò)劃分為K個(gè)簇，每個(gè)簇有一個(gè)簇頭。SU和CH通過(guò)一個(gè)控制頻道可以相互交換信息，這個(gè)控制信道在執(zhí)行過(guò)程中作為襯墊控制信道（UCC）。在一個(gè)或多個(gè)信道中，可以利用UCC傳輸能量小于閾值的控制信號(hào)。圖3中給出了一個(gè)CRN例子，這個(gè)CRN由3個(gè)信道和4個(gè)SU構(gòu)成。

CH向距離CH一跳距離的SU傳送信號(hào)，SU根據(jù)從CH處接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)加入簇，如果SU從一個(gè)簇中接收到的信號(hào)強(qiáng)度最大，那么這個(gè)SU加入到這個(gè)簇中［11］。CH定期檢查其二級(jí)成員用戶是否發(fā)生故障，如果發(fā)生故障，CH將會(huì)把故障信息通知給其他CH。

圖3　CRN（4，3）的一個(gè)例子

2.2參數(shù)定義

1）信道Ci的頻率f（Ci）:對(duì)信道Ci進(jìn)行傳感為可用信道的二級(jí)用戶的總數(shù)。

2）對(duì)于每個(gè)二級(jí)用戶：

①可用信道列表（ACLi）：由于主用戶的干擾，每個(gè)SUi構(gòu)建了一個(gè)ACLi，并向其對(duì)應(yīng)的簇頭發(fā)送ACLi。ACLi的結(jié)構(gòu)如下所示：

其中，Inf（i，j）表示SUi對(duì)含有PU的信道Cj上的干擾值，其中Inf（i，j）∈｛0，1｝。Inf（i，j）=0表示在信道Cj上沒(méi)有觀察到干擾，即SUi可以使用這個(gè)信道，否則不能使用。

②信道id（Cidi）：Cidi=Cj表示將信道Cj分配給SUi。

3）對(duì)于每個(gè)簇頭：

①可用信道矩陣 （ACM）：在接收到網(wǎng)絡(luò)中所有SU的ACL之后，每個(gè)CH構(gòu)建一個(gè)ACM。ACM為一個(gè)N×M大小的矩陣，如果信道 Cj位于 SUi的可用信道列表之中，那么ACM （i，j）的條目為 ‘Y’。保存ACM的一個(gè)備份作為初始O_ACM。

②信道分配矩陣（CAM）：每個(gè)CH利用算法規(guī)則構(gòu)建了一個(gè)CAM。CAM的每一列表示被分配特殊信道的SU集合，該SU集稱為這個(gè)信道的分配用戶向量（AUV），因此CAM中的每列表示每個(gè)信道的AUV。

2.3文中頻譜感知方案流程

SU在對(duì)環(huán)境進(jìn)行傳感之后，構(gòu)建二級(jí)用戶可利用信道列表（ACL）。根據(jù)二級(jí)用戶ACL的大小將信道分配給二級(jí)用戶，ACL尺寸越小表示其具有越高的優(yōu)先分配級(jí)別［12］。在每個(gè)階段的每一輪，為具有最小尺寸列表的SU分配一個(gè)信道。當(dāng)將所有被傳感的信道分配給一些二級(jí)用戶之后，則該階段完成。

剩余的二級(jí)用戶在下一個(gè)階段為其分配信道，這次分配信道過(guò)程中需要考慮其ACL。每個(gè)SU按照周期性方式分配一個(gè)信道。如果任何的SU發(fā)生故障，那么當(dāng)前分配給這個(gè)SU的信道是無(wú)意義的。故障的發(fā)生引起了信道中負(fù)載的不均衡，這可能會(huì)降低信道的利用率［13］。為此，文中算法尋找具有最小負(fù)載的信道，并重新分配給二級(jí)用戶，使信道的負(fù)載平衡。文中頻譜分配方案步驟如下：

步驟1：當(dāng)SUi第一次傳感環(huán)境時(shí)，或由于對(duì)環(huán)境的傳感，SUi中的ACLi進(jìn)行任何更新時(shí)。SU將CHANNEL_INFO （SUi，ACLi）信息發(fā)送給其對(duì)應(yīng)的CH。

CH向所有其他的CH發(fā)送信息，當(dāng)獲取所有SU的ACL之后構(gòu)建ACM，然后執(zhí)行Channel_Allocation（）程序構(gòu)建CAM。Channel_Allocation（）程序偽代碼如程序1所示。

程序1：Channel_Allocation（）

在每個(gè)簇頭處：

1）初始化Ns=｛SU1，SU2…，SUN｝，其中Ns表示將分配信道的剩余二級(jí)用戶。

2）在每個(gè)階段，利用Ns和其對(duì)應(yīng)的ACL對(duì)ACM進(jìn)行初始化。

①對(duì)于?Ci∈C

②在每一個(gè)輪回中

a.對(duì)于每個(gè)SUi∈NS，以及每個(gè)Cj∈C，其中f（Ci）＞0，計(jì)算Pij。

b.｛SUx，Cy｝=SUi∈NS，Cj∈Cargmin（Pij）。

c.NS=NS-｛SUx｝。

d.對(duì)于?Cp∈ACLx，f（Cp）=f（Cp）-1。

e.對(duì)于ACM內(nèi)所有f（Ci）=0的SU，刪除其ACL中已被分配信道Cy的條目‘Y’。

g.構(gòu)造SUx到AUVy的條目，向SUx發(fā)送消息。CHANNEL_ALLOCATED（SUx，Cy）

h.如果?C1∈C，f（C1）＞0，則轉(zhuǎn)到步驟②。

3）直到Ns變成空時(shí)，轉(zhuǎn)到步驟2。

步驟2：當(dāng)?shù)谝淮螛?gòu)建CAM時(shí)，或由CHANNEL_INFO（）消息引起CAM中SUi的分配發(fā)生改變時(shí)。CH向SUi發(fā)送CHANNEL_ALLOCATED（SUi，Cj）信息。

當(dāng)SUi接收到這個(gè)信息，其設(shè)置Cidi=Cj并且等待START （SUi，δ）消息，以此在分配的信道Cj上開(kāi)始通信。

步驟3：每當(dāng)SUi被允許周期性的使用這個(gè)信道δ個(gè)時(shí)間單元，CH將START（SUi，δ）信息發(fā)送給SUi。在接收到START （SUi，δ）消息的基礎(chǔ)上，SUi在分配的信道上開(kāi)始執(zhí)行δ個(gè)時(shí)間單元的通信。

步驟4：CH周期性的發(fā)送ARE_YOU_ALIVE（SUi）信息以檢測(cè)其成員SUs是否發(fā)生故障。

步驟5：如果SUi在時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有發(fā)生故障并且仍然有活性，那么SUi向其 CH發(fā)送ALIVE（SUi）消息以響應(yīng)ARE_YOU_ALIVE（SUi）消息。CH等待τ個(gè)時(shí)間單元以等候其成員SUs發(fā)送的ALIVE（SU）消息。如果CH沒(méi)有接收到任何ALIVE（SU）消息，那么τ個(gè)時(shí)間單元之后執(zhí)行Allocation_on_Failure（）程序，其偽代碼如程序2所示。

程序2：Allocation_on_Failure（）

對(duì)于每個(gè)CH：沒(méi)有從SUi處接收到用于應(yīng)答ARE_YOU_ALIVE（）消息的ALIVE（SUi）消息。

1）從AUVj中刪除SUi的條目，其中SUi∈AUVj。

2）對(duì)于除了Cj的?Ck∈C，有

3）如果所有的Diffk＞1，則不操作。

4）否則，對(duì)于每個(gè)Diffk＞1，將其值按降序排列。

a.對(duì)于每個(gè)SUp∈AUVk。

b.如果Cj∈ACLp。

b1.從AUVk中刪除SUp的條目。

b2.將SUp的條目加入到AUV中，并且將CHANNEL_ALLOCATED（SUp，Cj）發(fā)送到SUp。

b3.退出。

步驟6：如果SUi從故障中恢復(fù)，那么其向?qū)?yīng)的CH發(fā)送RECOVERED（SUi）消息。一旦CH接收到這個(gè)消息則執(zhí)行Allocation_on_Recovery（）程序，其偽代碼如程序3所示。

程序3：Allocation_on_Recovery（）

對(duì)于每個(gè)CH：接收到SUi發(fā)送的消息RECOVERED （SUi，ACLi）。

1）將SUi及其ACLi都加入到ACM中。

3）在CAM中將SUi條目加入到AUVk中，將CHANNEL_ ALLOCATED（SUi，Ck）消息發(fā)送到SUi。

3　實(shí)驗(yàn)及分析

圖4給出了2種方案的信道負(fù)載不均衡比例（LIR），可以看出，本文方案的LIR總是低于或等于文獻(xiàn)［5］方案。這是因?yàn)?，本文方案中，?dāng)SUi發(fā)生故障，且SUi∈AUVi時(shí)，本文利用Diffk確定出Ck∈C-｛Cj｝的大小。為了進(jìn)行負(fù)載均衡，將對(duì)應(yīng)于max（Diffk）的二級(jí)用戶SUp∈AUVk和Cj∈ACLp重新分配給信

文中利用NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器［14］來(lái)構(gòu)建認(rèn)知無(wú)線電認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型，將本文方案與沒(méi)有考慮分配容錯(cuò)模型的文獻(xiàn)［5］進(jìn)行比較。構(gòu)建一個(gè)N=7，M=8的CRN，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為K=3個(gè)簇。簇1中包含SU1和SU2，簇2中包含SU3、SU4和SU5，簇3中包含SU6和SU7。假設(shè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在500×500 m2的仿真區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為0～50 m/s。在CRN上執(zhí)行一個(gè)多媒體應(yīng)用場(chǎng)景，場(chǎng)景中具有一個(gè)語(yǔ)音和視頻應(yīng)用程序，頻譜需求分別為32 Kbps和256 Kbps。

負(fù)載不均衡比例（LIR）定義為信道中分配的二級(jí)用戶的最大數(shù)量與任何其它信道中二級(jí)用戶最小個(gè)數(shù)間的差［15］。其中，信道上的負(fù)載定義了信道中分配的二級(jí)用戶總的個(gè)數(shù)，二級(jí)用戶周期性的使用信道。道Cj。因此本文方案保持LIR接近發(fā)生故障前的大小。

圖4　負(fù)載不均衡比例

圖5　頻譜利用率

圖5顯示了兩種方案的頻譜利用率，為了最大化系統(tǒng)性能，頻譜利用率是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，兩種案都有類似的趨勢(shì)，而在各種應(yīng)用請(qǐng)求速率下，文中方案的頻譜利用率比其他方案更高。

4　結(jié)束語(yǔ)

文中提出一種具有容錯(cuò)功能的基于信道分配矩陣的CR網(wǎng)絡(luò)頻譜分配方案。二級(jí)用戶（SU）通過(guò)協(xié)作感知構(gòu)建可用信道列表，簇頭通過(guò)信道分配算法形成信道分配矩陣，完成信道分配。當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或恢復(fù)時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整信道分配矩陣，以最少的重分配過(guò)程完成信道分配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中方案能夠快速的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，具有較高的頻譜利用率。

［1］邱晶，周正.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的分布式動(dòng)態(tài)頻譜共享［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（1）:69-72.

［2］Li D，Xu Y，Liu J，et al.A market game for dynamic multiband sharing in cognitive radio networks［C］Communications （ICC），2010 IEEE International Conference on IEEE，2010: 1-5.

［3］王欽輝，葉保留，田宇，等.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配算法［J］.電子學(xué)報(bào)，2012，40（1）:147-154.

［4］劉鑫，譚學(xué)治，馬琳.認(rèn)知無(wú)線電多簇聯(lián)合頻譜感知算法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45（1）:50-54.

［5］Wang Y，Lin W，Huang Y，et al.Optimization of Cluster-Based Cooperative Spectrum Sensing Scheme in Cognitive Radio Networks with Soft Data Fusion［J］.Ieice Transactions on Communications，2014，46（4）:2871-2888.

［6］Liu H，Zhou Y，Chu X，et al.Generalized-Bi-Connectivity for Fault Tolerant Cognitive Radio Networks［C］//Computer Communications and Networks（ICCCN），2012 21st International Conference on IEEE，2012:1-8.

［7］張麗影，曾志文，陳志剛，等.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中基于約束算子的二進(jìn)制粒子群頻譜分配算法［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2013，34（6）:1226-1229.

［8］Louie R H Y，McKay M R，Chen Y.Multiple-antenna signal detection in cognitive radio networks with multiple primary user signals［C］//Communications（ICC），2014 IEEE International Conference on IEEE，2014:4951-4956.

［9］Han Z，Zheng R，Poor H V.Repeated auctions with Bayesian nonparametric learning for spectrum access in cognitive radio networks［J］.Wireless Communications，IEEE Transactions on IEEE，2011，10（3）:890-900.

［10］Akkarajitsakul K，Hossain E，Niyato D.Distributed resource allocationinwirelessnetworksunderuncertaintyand application of Bayesian game［J］.Communications Magazine，IEEE，2011，49（8）:120-127.

［11］杜文峰，劉亞濤，明仲，等.基于干擾消減的認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配算法［J］.通信學(xué)報(bào)，2012，33（5）:106-114.

［12］Gao H，Cao J，Zhao Y.Membrane quantum particle swarm optimisation for cognitive radio spectrum allocation［J］. International Journal of Computer Applications in Technology，2012，43（4）:327-341.

［13］賈杰，王闖，張朝陽(yáng)，等.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于圖著色的動(dòng)態(tài)頻譜分配［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（3）: 336-339.

［14］Deshmukh V Y，Varade P S，Ravinder Y.Channel selection strategy for Cognitive Radio using NS2［C］//Human Computer Interactions（ICHCI），2013 International Conference on IEEE，2013:1-5.

［15］Pareek H，Singh A K.Fault Tolerant Spectrum Assignment in Cognitive Radio Networks［J］.Procedia Computer Science，2015，46（5）:1188-1195.

［16］朱慧博，石魯生.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種可容錯(cuò)的安全聚集算法［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2015（3）：6-8.

［17］肖鵬，覃濤，程時(shí)潤(rùn)，等.雙饋風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的容錯(cuò)控制研究［J］.陜西電力，2015（10）：20-23，48.

Fault-tolerant spectrum allocation scheme based on channel allocation matrix for CR networks

LIU Jun-xia1，BU Yu2，LIU Zhi-yong1
（1.Department of Electrical and Information，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830023，China；2.Department of Computer Engineering，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830023，China）

For the issues that the existing spectrum allocation scheme of the cognitive radio（CR）network has not considered the problem of node failure，a spectrum allocation scheme based on channel assignment matrix with fault-tolerance function is proposed.First，the secondary user（SU）constructs a list of available channels through cooperative sensing and sends to the cluster head（CH）.Then，the cluster heads construct the available channel matrix，and the channel allocation matrix（CAM）is formed by the channel assignment algorithm.When a node fails or is recovered，the channel assignment matrix is dynamically adjusted to complete channel allocation with minimal redistribution process.The experimental results show that the proposed scheme can well balance the network load and has a high spectrum utilization.

cognitive radio network；channel allocation matrix；spectrum allocation；fault-tolerance；load-balancing

TN919

A

1674-6236（2016）14-0077-04

2016-01-21稿件編號(hào)：201601197

新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏?jì)劃青年教師科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（XJEDU2014S074）。

劉俊霞（1980—），女，新疆博州人，碩士，講師。研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建模等。