華夏杰

(中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018)

基于信標(biāo)信息廣播的會合算法仿真

華夏杰

(中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018)

會合是基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基礎(chǔ)核心問題。近年來，會合算法一直是研究的重點(diǎn)方向。提出了一種基于信標(biāo)信息廣播的會合算法，通過建模仿真，對會合時(shí)間特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出：當(dāng)公共信道數(shù)遠(yuǎn)小于可用信道數(shù)時(shí)，基于信標(biāo)信息廣播的會合算法遠(yuǎn)優(yōu)于增強(qiáng)型跳轉(zhuǎn)-停止(EJS)算法；當(dāng)公共信道數(shù)與可用信道數(shù)基本相等時(shí)，EJS會合算法優(yōu)于基于信標(biāo)信息廣播的會合算法；當(dāng)公共信道數(shù)與可用信道數(shù)之比接近1/2時(shí)，2種算法的會合性能基本接近的結(jié)論。因此，在公共信道數(shù)稀少的惡劣電磁環(huán)境下，基于信標(biāo)信息廣播的會合算法具有優(yōu)良的會合能力，對今后的算法研究可提供有意義的啟示。

認(rèn)知無線電；會合；廣播；節(jié)拍；時(shí)隙

1 概 述

隨著認(rèn)知無線電研究和應(yīng)用的發(fā)展，認(rèn)知無線電的內(nèi)涵和外延也在不斷擴(kuò)展，基于頻譜感知的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(CRN)是一種新型通訊網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)、靈活、智能地使用頻譜資源，通過對無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的交互感知進(jìn)行智能規(guī)劃、決策和調(diào)度，自組織地實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)并適應(yīng)于具體無線通信環(huán)境，有效優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的管理和使用狀況，從而可以提高頻譜資源的利用效率，更能適應(yīng)復(fù)雜動態(tài)電磁環(huán)境[1]。它與其它通訊網(wǎng)絡(luò)最大的不同之處在于：網(wǎng)絡(luò)中次用戶對于作為傳輸媒介的無線頻譜使用不是固定的，而是伺機(jī)接入的。

CRN本質(zhì)上是一種多信道無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的頻譜可以劃分為獨(dú)立的、不重疊的信道，次用戶通過感知“頻譜空穴”，在處于空閑狀態(tài)的信道(次用戶的可用信道)上進(jìn)行通訊，2個(gè)或多個(gè)次用戶需要在相同的可用信道上相遇且建立彼此間的通訊連接，使得接下來的信息交互、頻譜管理、數(shù)據(jù)通信等可以進(jìn)行。2個(gè)或者2個(gè)以上用戶在相同可用信道上相遇并建立通訊鏈路的過程被稱作“會合”。會合是CRN組網(wǎng)媒體訪問控制(MAC)協(xié)議需要解決的首要問題，因?yàn)槭瞻l(fā)雙方如果無法找到彼此并在相同信道上進(jìn)行通訊，那么接下來的工作便無從談起。因此，會合問題是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基礎(chǔ)核心問題。由于在CRN中，次用戶在會合前無法獲知彼此的存在，同時(shí)主用戶的通訊活動使得次用戶的可用信道會隨著時(shí)間、空間的變化而不斷地發(fā)生變化，并且次用戶相互之間的變化并不一樣，在頻域和空域上呈現(xiàn)異構(gòu)特性[2-3]，這就使得會合面臨許多待解決的難題。

以下面的假設(shè)條件對會合問題進(jìn)行研究：

(1) 在某場景下有公共無線通信信道N條。

(2)A、B為該場景下的獨(dú)立的2個(gè)無線通信節(jié)點(diǎn)，不受其他節(jié)點(diǎn)控制且均沒有精確時(shí)鐘同步功能。

(3)A、B均能夠?qū)ψ陨砜捎眯诺?空閑信道)進(jìn)行感知，感知周期分別為TA和TB，且A、B感知到的可用信道集合可能不同。

(4) 由于場景中存在動態(tài)變化因素，A、B在各自前后2個(gè)感知周期內(nèi)所感知到的自身可用信道集可能不同。但是，A、B之間總能找到至少1條共同信道。

(5)A、B均能夠在已感知的自身可用信道集合中自由選擇某一條信道進(jìn)行某一項(xiàng)信號的收發(fā)操作。這些操作包括感知當(dāng)前可用信道、發(fā)射自己的信標(biāo)信號、接收其他節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號。

(6)A、B都以節(jié)拍為時(shí)間單位進(jìn)行工作，即整個(gè)時(shí)間被分割成相同長度的時(shí)間節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍內(nèi)只完成一項(xiàng)操作(如發(fā)射信標(biāo)、感知環(huán)境或者靜默偵聽)，一項(xiàng)操作可以包含多個(gè)節(jié)拍。

(7) 當(dāng)滿足下列2個(gè)條件時(shí)，可以認(rèn)為A、B成功實(shí)現(xiàn)了會合：

(1)A、B選擇了相同的信道；

(2) 其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到了另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號。

近年來，用于解決會合問題的會合策略一直是研究的熱點(diǎn)，相關(guān)研究者提出了大量的會合策略，如Z.Lin,H.Liu等學(xué)者提出了具有優(yōu)良性能和環(huán)境適應(yīng)性的會合算法——增強(qiáng)型跳轉(zhuǎn)-停止(EJS)算法。其基本原理為：周期序列依次由一個(gè)“跳模式”和一個(gè)“停模式”組成。在跳模式下，用戶在可用信道集上不斷跳轉(zhuǎn)；在停模式下，用戶等待在一個(gè)特定信道上不進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。用戶可用信道數(shù)為M，用戶選擇一個(gè)初始信道c1和隨機(jī)選擇跳轉(zhuǎn)步長r，P為大于M的最小素?cái)?shù)。跳模式持續(xù)3P個(gè)時(shí)隙，停模式持續(xù)P個(gè)時(shí)隙。用戶產(chǎn)生長度為4P的周期序列。跳轉(zhuǎn)序列由下式?jīng)Q定：

(1)

式中：CN為該節(jié)點(diǎn)在第tp個(gè)時(shí)隙所跳轉(zhuǎn)到的可用信道編號；c1為節(jié)點(diǎn)任意選取的初始信道編號，c1∈[1，P]；r為任意選取的跳轉(zhuǎn)步長，r∈[1，M]，每完成一個(gè)周期序列，r=r+1。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)的信道編號大于可用信道集時(shí)，由下式修正：

CN=(CN-1)modP，CN>M

(2)

目前，對在異步模式下會合的研究大多是通過改進(jìn)算法來保證兩節(jié)點(diǎn)會合，但對節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信標(biāo)信息未加以利用。本文則提出了一種基于信標(biāo)信息廣播的會合算法，即通過向每個(gè)可用信道發(fā)射信標(biāo)信息的方法來提高會合概率。每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射信標(biāo)信號分為群發(fā)模式和專發(fā)模式2種，群發(fā)模式即是對每個(gè)可用信道均發(fā)本節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號，專發(fā)模式則在某個(gè)信道上發(fā)射本節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號。

下面通過建立仿真模型，對基于信息廣播的會合算法和EJS會合算法的平均會合時(shí)間和最大會合時(shí)間進(jìn)行對比分析。

2 模型假設(shè)及符號說明

2.1 模型假設(shè)

2.1.1 基礎(chǔ)條件假設(shè)

假設(shè)A、B節(jié)點(diǎn)分別在N個(gè)信道中感知MA、MB個(gè)可用信道，這2組可用信道有MAB個(gè)公共信道。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)對各自的可用信道集進(jìn)行編號，使1～MA(或MB)個(gè)信道分別與其在N條公共無線通信信道中的序號一一對應(yīng)。

在檢測信標(biāo)信號時(shí)，不考慮其響應(yīng)時(shí)間Δtp，即Δtp=0。

衡量會合算法最重要的度量是會合時(shí)間，即節(jié)點(diǎn)由開始嘗試會合到實(shí)現(xiàn)會合所花費(fèi)的時(shí)間。由于會合過程以節(jié)拍為最小時(shí)間長度，因此，設(shè)定值為kjp的會合時(shí)間計(jì)數(shù)器，假設(shè)B節(jié)點(diǎn)滯后A節(jié)點(diǎn)kdy個(gè)節(jié)拍開始進(jìn)行第1次嘗試會合，則在該時(shí)刻，kjp=1，然后每經(jīng)過一個(gè)節(jié)拍，計(jì)數(shù)器kjp值累加1，直到實(shí)現(xiàn)會合。

2.1.2 基于信標(biāo)信息廣播的會合算法模型假設(shè)

每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成感知可用信道集后，轉(zhuǎn)入群發(fā)模式。在群發(fā)模式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)首先選擇各自編號為1的可用信道作為當(dāng)前的接收信道，先接收ka(或kb)個(gè)節(jié)拍時(shí)間，若未接收到對方節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信息，則按編號依次在每個(gè)可用信道發(fā)射信標(biāo)信息，完成在全部可用信道的信標(biāo)信息發(fā)射后，再轉(zhuǎn)入接收模式，接收2×MA(或MB)個(gè)節(jié)拍的時(shí)間。若仍未收到對方節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號，則按可用信道的編號順序轉(zhuǎn)入下一個(gè)信道，繼續(xù)以上過程。

在群發(fā)模式下，若有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前信道收到了另一節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信息，則可確定該信道為公共信道，該節(jié)點(diǎn)便可轉(zhuǎn)入專用模式。

在專用模式下，保持當(dāng)前接收信道不變，節(jié)點(diǎn)按每發(fā)射1個(gè)節(jié)拍信標(biāo)信息，接收3個(gè)節(jié)拍的方式工作。這時(shí)，若仍在群發(fā)模式的另一節(jié)點(diǎn)接收到專用模式下發(fā)射的信標(biāo)信號，即可完成會合。

2.1.3 EJS會合算法模型假設(shè)

A節(jié)點(diǎn)感知到可用信道集后，計(jì)算出大于MA的最小素?cái)?shù)PA，再按可用信道編號，隨機(jī)選取初始信道ca1、跳轉(zhuǎn)步長ra，并按公式計(jì)算出可用信道編號，根據(jù)該編號，確定當(dāng)前的工作信道。

B節(jié)點(diǎn)與A節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相同的操作。

為仿真A、B兩節(jié)點(diǎn)均處于相同的收發(fā)節(jié)拍而無法會合，取1個(gè)時(shí)隙，由8個(gè)節(jié)拍組成節(jié)拍序列，分3種工作節(jié)拍序列，分別為：

(1) 接收1節(jié)拍，發(fā)射1節(jié)拍，接收2節(jié)拍，發(fā)射1節(jié)拍，接收3節(jié)拍；

(2) 接收1節(jié)拍，發(fā)射1節(jié)拍，接收3節(jié)拍，發(fā)射1節(jié)拍，接收2節(jié)拍；

(3) 接收1節(jié)拍，發(fā)射1節(jié)拍，接收1節(jié)拍，發(fā)射1節(jié)拍，接收4節(jié)拍。

在每個(gè)時(shí)隙的開始，每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取其中一種工作節(jié)拍序列，每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)隙跳轉(zhuǎn)的信道編號由公式(1)、(2)決定。

當(dāng)A節(jié)點(diǎn)收到B節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號或當(dāng)B節(jié)點(diǎn)收到A節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號時(shí)，即可完成會合。

2.2 符號說明

ATTR：平均會合時(shí)間，指在不同情況下(如A、B節(jié)點(diǎn)開始嘗試會合時(shí)間的延時(shí)不同、算法隨機(jī)的初始值不同等)多次完成會合所花費(fèi)時(shí)間的均值。

MTTR：最大會合時(shí)間，指在不同情況下(如A、B節(jié)點(diǎn)開始嘗試會合時(shí)間的延時(shí)不同、算法隨機(jī)的初始值不同等)多次完成會合所花費(fèi)時(shí)間的最大值。

JTTR：會合時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差，指在不同情況下(如A、B節(jié)點(diǎn)開始嘗試會合時(shí)間的延時(shí)不同、算法隨機(jī)的初始值不同等)多次完成會合所花費(fèi)時(shí)間與平均會合時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 模型的建立與分析

3.1 模型建立

3.1.1 基于信標(biāo)信息廣播的會合算法模型

用MATLAB對基于信息廣播的會合算法的一次獨(dú)立運(yùn)算的會合仿真過程模型描述如下：

步驟1：初始化仿真參數(shù)，根據(jù)A、B節(jié)點(diǎn)的可用信道數(shù)MA、MB及公共信道數(shù)MAB，產(chǎn)生A、B節(jié)點(diǎn)的可用信道集合CHA、CHB。

步驟2：B節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行第1次嘗試的會合時(shí)間為滯后A節(jié)點(diǎn)的節(jié)拍數(shù)kdy(kdy為隨機(jī)節(jié)拍數(shù))，確定A、B兩節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前接收信道，計(jì)算出A節(jié)點(diǎn)當(dāng)前節(jié)拍的狀態(tài)(B節(jié)點(diǎn)當(dāng)前節(jié)拍為接收狀態(tài))，并設(shè)計(jì)數(shù)器kjp=1。

步驟3：嘗試會合，如果節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前節(jié)拍狀態(tài)處于接收狀態(tài)，則測試能否收到對方節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號；若接收到，則該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入專用模式，執(zhí)行步驟5；若雙方均未接收到對方的信標(biāo)信號，則計(jì)數(shù)器kjp值累加1。

步驟4：更新數(shù)據(jù)，若A、B兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙發(fā)生變化，則更新當(dāng)前接收信道和當(dāng)前節(jié)拍狀態(tài)；否則，只更新當(dāng)前節(jié)拍狀態(tài)，重復(fù)步驟3。

步驟5：轉(zhuǎn)入專用模式的節(jié)點(diǎn)，保持接收信道不變，按每發(fā)射1個(gè)節(jié)拍信標(biāo)信息，接收3個(gè)節(jié)拍的方式工作。這時(shí)，若仍在群發(fā)模式的另一節(jié)點(diǎn)接收到專用模式下發(fā)射的信標(biāo)信號，即可完成會合，返回kjp的數(shù)值。

通過上述步驟建立的仿真模型，取MA=MB=10，MAB=1，其公共信道為信道10，則執(zhí)行某次會合的仿真過程如圖1所示。從圖1中可以看出，A節(jié)點(diǎn)在第196個(gè)節(jié)拍時(shí)收到了B節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號，隨即進(jìn)入專用模式，直到B節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)至信道10，完成會合。

圖1 基于信息廣播會合算法的會合仿真過程

3.1.2 基于EJS會合算法的模型

用MATLAB對基于EJS會合算法的一次獨(dú)立運(yùn)算的會合仿真過程模型描述如下：

步驟1：初始化仿真參數(shù)，根據(jù)A、B節(jié)點(diǎn)的可用信道數(shù)MA、MB及公共信道數(shù)MAB，產(chǎn)生A、B節(jié)點(diǎn)的可用信道集合CHA、CHB。

步驟2：B節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行第1次嘗試的會合時(shí)間為滯后A節(jié)點(diǎn)的節(jié)拍數(shù)kdy，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)產(chǎn)生的初始信道編號和跳轉(zhuǎn)步長計(jì)算出當(dāng)前工作信道。

步驟3：每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取1組節(jié)拍序列，計(jì)算出各自的當(dāng)前節(jié)拍狀態(tài)，并置計(jì)數(shù)器kjp=1。

步驟4：嘗試會合，如果節(jié)點(diǎn)當(dāng)前節(jié)拍狀態(tài)處于接收狀態(tài)，則測試能否收到對方節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號，若接收到，則完成會合，并返回kjp的數(shù)值。

步驟5：更新數(shù)據(jù)，若雙方均未接收到對方的信標(biāo)信號，則計(jì)數(shù)器kjp值累加1。若A、B兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙發(fā)生變化，則更新當(dāng)前接收信道和當(dāng)前節(jié)拍狀態(tài)；否則，只更新當(dāng)前節(jié)拍狀態(tài)，重復(fù)步驟4。

通過上述步驟建立的仿真模型，取MA=MB=10，MAB=1，其公共信道為信道10，則執(zhí)行某次會合的仿真過程如圖2所示。

圖2 基于EJS會合算法的仿真過程

3.2 模型分析

用MATLAB完成對基于信標(biāo)信息廣播的會合算法和EJS會合算法進(jìn)行建模后，通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真A、B兩節(jié)點(diǎn)會合所用的時(shí)間，分析2種算法模型的平均會合時(shí)間(ATTR)、最大會合時(shí)間(MTTR)和會合時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差(JTTR)，實(shí)驗(yàn)采用對會合所需要的節(jié)拍數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法，每個(gè)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行10 000次獨(dú)立運(yùn)算。

當(dāng)公共信道數(shù)MAB=1時(shí)，取A、B兩節(jié)點(diǎn)的可用信道數(shù)分別為MA=MB=[10,20,30,40]，2種算法模型的會合時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 公共信道數(shù)為1時(shí)，會合時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)公共信道數(shù)MAB=MA=MB時(shí)，取A、B兩節(jié)點(diǎn)的可用信道數(shù)分別為MA=MB=[10,20,30,40]，2種算法模型的會合時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 公共信道等于可用信道數(shù)時(shí)，會合時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)公共信道數(shù)MAB=MA/2時(shí)，取A、B兩節(jié)點(diǎn)的可用信道數(shù)分別為MA=MB=[10,20,30,40,50]，2種算法模型的會合時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 公共信道數(shù)為MA/2個(gè)時(shí)，會合時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，當(dāng)公共信道數(shù)遠(yuǎn)小于可用信道數(shù)時(shí)，基于信標(biāo)信息廣播的會合算法遠(yuǎn)優(yōu)于EJS會合算法；當(dāng)公共信道數(shù)與可用信道數(shù)基本相等時(shí)，EJS會合算法優(yōu)于基于信標(biāo)信息廣播的會合算法；當(dāng)公共信道數(shù)與可用信道數(shù)之比接近1/2時(shí)，2種算法的會合性能基本接近。

4 模型的評價(jià)與推廣

會合是基于該技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基礎(chǔ)核心問題。近年來，會合算法一直是研究的重點(diǎn)方向，本文提出的基于信標(biāo)信息廣播的會合算法在公共信道數(shù)稀少的惡劣電磁環(huán)境下，具有優(yōu)良的會合能力，對今后的算法研究可提供有意義的啟示。在實(shí)際使用中，可根據(jù)感知信道數(shù)量、感知信道的質(zhì)量進(jìn)行分組策略，以進(jìn)一步減少會合時(shí)間。

[1] HOVEN N.On the feasibility of cognitive radio[D].Berkeley:University of California,2005.

[2] 劉權(quán)，趙光勝，王曉東，等.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)信道交匯研究綜述[J].軟件學(xué)報(bào),2014,25(3):606-630.

[3] LIANG Y C,CHEN K C,LI G Y,et al.Cognitive radio networking and communications:an overview[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(7):3386-3407.

[4] 左明智.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中會合算法的仿真與改進(jìn)[D].廣東：廣東技術(shù)師范學(xué)院,2015.

SimulationofRendezvousAlgorithmBasedonBeaconInformationBroadcasting

HUA Xia-jie

(China Jiliang University,Hangzhou 310018，China)

The rendezvous is a fundamental core issue of the cognitive radio network.In recent years,the rendezvous algorithm has always been the important direction of research.This article proposes a rendezvous algorithm based on the beacon information broadcast，analyzes the characteristics of the rendezvous time statistically through the modeling and simulation.That can be obtained from the statistical results:when the number of common channels is much smaller than the number of available channels,the convergence algorithm based on beacon information broadcasting is far superior to the enhanced jump-stay (EJS) convergence algorithm;when the number of common channels is equal to the number of available channels,the EJS rendezvous algorithm is superior to the rendezvous algorithm based on beacon broadcast;when the ratio of the number of common channels and the number of available channels is close to 1/2,the rendezvous performance of two algorithms is almost equal.Therefore,in the harsh electromagnetic environment of few public channels,the rendezvous algorithm based on beacon information broadcasting has excellent rendezvous ability and can provide meaningful enlightenment for the future algorithm research.

cognitive radio;rendezvous;broadcasting;beat;time slot

TN915

A

CN32-1413(2017)05-0065-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.014

2017-05-16