張聰　蘇凡軍

摘要：現(xiàn)在學(xué)術(shù)界的主流MAC協(xié)議都是兩狀態(tài)信道模型：空閑和忙。有研究者根據(jù)其弊端提出把忙的狀態(tài)劃分為被主用戶和次用戶占用兩種狀態(tài)。該MAC協(xié)議可以讓次用戶之間競(jìng)爭(zhēng)使用信道，然而單純的競(jìng)爭(zhēng)并不是好方法。經(jīng)過研究，在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部還有可能會(huì)出現(xiàn)空閑信道，這就會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此，考慮增加一種機(jī)制：基于對(duì)自身數(shù)據(jù)量大小的認(rèn)知，進(jìn)行適當(dāng)切換。同時(shí)基于歷史通信情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整切換等待時(shí)間，從而進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)效率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)性能明顯比前者好。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線電；數(shù)據(jù)量；歷史通信情況；競(jìng)爭(zhēng)；切換

DOIDOI：10.11907/rjdk.172528

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）003020505

英文摘要Abstract：Mainstream MAC protocols are now two channel models： free and busy in academia.Because of its drawbacks， some researcher divide the busy status to being used by a main user and a second user. This protocol allows second users to contend for the channel.However， pure competition is not a good way.Study finds that free channel may occur within the CRN sometimes.The waste of resource isnt a good thing.Therefore， on this basis， we add a mechanism： switch based on the cognition of datas size.Furthermore， a second user can change the duration of wait to switch based on the historical traffic.To further improve the efficiency of the network.By experiments，we found that the throughput of the latter is better than the former.

英文關(guān)鍵詞Key Words：cognitive radio； data size； historical traffic； contend； switch

0引言

認(rèn)知無(wú)線電較好地提高了頻譜效率，被看作是一項(xiàng)革命性的技術(shù)創(chuàng)新。目前對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的研究正在逐步深入，大量專家學(xué)者均聚焦于此。各國(guó)政府也投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)行這方面的研究。例如美國(guó)國(guó)防部資助的DARPA XG項(xiàng)目，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提出了500MHz國(guó)家寬帶計(jì)劃。2008年初，我國(guó)也在973計(jì)劃中啟動(dòng)了認(rèn)知無(wú)線電基礎(chǔ)研究。

在認(rèn)知無(wú)線電研究中，對(duì)MAC層協(xié)議的研究又是一個(gè)熱點(diǎn)問題。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的信道是動(dòng)態(tài)可用的，因此為認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一個(gè)公平和高效的MAC協(xié)議非常具有挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了一些認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議[15]。文獻(xiàn)[1]通過引入時(shí)隙的概念提出MAC協(xié)議，把時(shí)間分成多個(gè)時(shí)隙分別進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸，避免了隨機(jī)接入引起的沖突碰撞問題。文獻(xiàn)[2]是基于802.11DCF設(shè)計(jì)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在CSMA/CA的基礎(chǔ)上引入了公共控制信道，并且鄰近的次用戶共用一個(gè)控制信道，距離較遠(yuǎn)的次用戶共用另一個(gè)控制信道，從而組成了若干個(gè)次用戶組。然后每個(gè)用戶組通過邊界的橋梁節(jié)點(diǎn)與鄰近的用戶組連接起來(lái)。文獻(xiàn)[3]引入了“記憶”的概念，通過函數(shù)f：ys→[0，1]實(shí)現(xiàn)由次用戶上一個(gè)時(shí)隙狀態(tài)的“記憶”決定當(dāng)前時(shí)隙次用戶根據(jù)什么概率進(jìn)行傳輸。其中ys={idle，busy，success，failure}，上一個(gè)時(shí)隙狀態(tài)y是ys的一種，那么當(dāng)前時(shí)隙次用戶將根據(jù)f（y）的概率進(jìn)行傳輸。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議給每個(gè)次用戶節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)收發(fā)器：控制收發(fā)器和SDR收發(fā)器（用于感知和數(shù)據(jù)傳輸）?？刂剖瞻l(fā)器工作在專門的控制信道，它的工作通過周期性的時(shí)隙完成。時(shí)隙被分成兩個(gè)階段：報(bào)告階段和協(xié)商階段。在時(shí)隙一開始，SDR收發(fā)器感知信道，如果感知到某個(gè)信道空閑，就通過控制收發(fā)器發(fā)送一個(gè)信標(biāo)幀，否則不發(fā)送任何信標(biāo)幀。如果每一個(gè)信道都至少被一個(gè)次用戶感知過，所有的次用戶就都獲得了整個(gè)授權(quán)頻帶的使用情況。然后次用戶再協(xié)商選擇信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[5]提出了CRMMAC協(xié)議，該協(xié)議也是把時(shí)間分成周期性的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙分為4個(gè)階段：信道感知階段、信道協(xié)商階段、信道預(yù)留階段、數(shù)據(jù)傳輸階段。次用戶感知完信道之后，會(huì)記錄一個(gè)空閑信道列表，然后把帶有這個(gè)空閑信道列表的ATIM幀發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)收到之后，從空閑信道列表中選擇一個(gè)公共信道，然后把這個(gè)公共信道以ATIMACK幀的形式發(fā)送出去，源節(jié)點(diǎn)收到后再發(fā)送一個(gè)確認(rèn)使用的幀，然后信道預(yù)留成功，源節(jié)點(diǎn)就可通過這個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[6]提出了一種使用分布式學(xué)習(xí)增強(qiáng)方案的MAC協(xié)議，通過學(xué)習(xí)主用戶的通信特征指導(dǎo)選擇最佳信道。但是以上協(xié)議設(shè)計(jì)都是考慮單一的CRN（cognitive radio network，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)），沒有考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（使用不同的傳輸波形，不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）的存在。但現(xiàn)實(shí)情況中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)相互共存的情況。因此，解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)問題對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的成功也是非常關(guān)鍵的。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)情況下，一個(gè)CRN內(nèi)的次用戶是不能識(shí)別另一個(gè)CRN的次用戶的，因此會(huì)把次用戶當(dāng)成主用戶。另外現(xiàn)有的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)都是兩狀態(tài)信道模型，只能區(qū)分兩種信道狀態(tài)：空閑和忙。針對(duì)這種情況，文獻(xiàn)[7]第一次提出了三狀態(tài)模型，即把原來(lái)的兩狀態(tài)信道模型升級(jí)為了三狀態(tài)模型，把原來(lái)的“忙”的狀態(tài)分成了兩個(gè)狀態(tài)：被主用戶占用和被次用戶占用。而且文獻(xiàn)[7]提出了一種算法，可以精確地檢測(cè)出當(dāng)前信道具體處于3個(gè)狀態(tài)中的哪一個(gè)。然后文獻(xiàn)[8]基于這個(gè)三狀態(tài)模型設(shè)計(jì)了一種新的MAC層協(xié)議FMAC。該協(xié)議規(guī)定，當(dāng)探測(cè)到信道處于忙碌狀態(tài)時(shí)，不是簡(jiǎn)單地切換到另外一個(gè)信道，而是運(yùn)用頻譜感知算法[7]區(qū)分當(dāng)前信道上是一個(gè)主用戶的信號(hào)還是一個(gè)次用戶的信號(hào)。如果是后者，那么次用戶可以選擇與正在占用信道的次用戶爭(zhēng)用信道。

經(jīng)過理論分析，單純爭(zhēng)用信道的設(shè)計(jì)并不完美，因?yàn)樵跔?zhēng)用信道的同時(shí)，可能自身CRN內(nèi)部正存在著空閑信道，此時(shí)去爭(zhēng)用信道顯然會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)比較多時(shí)次用戶較難得到信道，如果占用信道的用戶是一個(gè)大數(shù)據(jù)量用戶，其他次用戶也可能會(huì)遲遲得不到信道使用權(quán)。得不到信道會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知節(jié)點(diǎn)持續(xù)地占用CCA信道，消耗掉認(rèn)知節(jié)點(diǎn)很多能量。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)靈活的方案，采用基于自身數(shù)據(jù)量大小認(rèn)知進(jìn)行適當(dāng)切換的機(jī)制。在切換機(jī)制的基礎(chǔ)上，本文同時(shí)加入了一種根據(jù)歷史通信情況指導(dǎo)切換的機(jī)制。通過計(jì)算切換時(shí)間和原信道數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)間的時(shí)間差，動(dòng)態(tài)調(diào)整次用戶接入新信道的退避窗口，使得次用戶有可能在接入新信道前，就檢測(cè)到原信道空閑，避免了切換。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真，證明以上兩種設(shè)計(jì)均可以較為顯著地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，從而提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。

1系統(tǒng)模型

如圖1所示，2個(gè)共存的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分別用CRN1、CRN2表示，CRN1和CRN2處于一個(gè)共同的授權(quán)頻譜干擾范圍內(nèi)，兩個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)域共用一個(gè)授權(quán)頻帶。CRN1有N1個(gè)次用戶，CRN2有N2個(gè)次用戶。每個(gè)次用戶都擁有兩個(gè)收發(fā)器，一個(gè)用于頻譜感知，一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸。同一個(gè)CRN的各個(gè)次用戶合作感知信道，從而更高效地獲取信道狀態(tài)。頻譜感知需要一定的時(shí)間，令DT表示頻譜感知時(shí)間，也即次用戶們需要經(jīng)過一個(gè)DT的時(shí)間來(lái)判定信道狀態(tài)，信道狀態(tài)每DT時(shí)間周期性地更新一次。

由于兩狀態(tài)模型在多個(gè)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共存的情況中表現(xiàn)并不太好，本文依然引用了前述三狀態(tài)模型[4]。與兩狀態(tài)模型不同的是，三狀態(tài)模型把信道忙的狀態(tài)分為被主用戶占用和被次用戶占用兩種情況。三狀態(tài)信道模型用數(shù)學(xué)式表示如下：

ri=ni，H0xP+ni，H1xs+ni，H2（1）

其中，xs表示次用戶發(fā)送的信號(hào)；xp表示主用戶發(fā)送的信號(hào)；ri是次用戶收到的信號(hào)；ni是零均值的加性高斯白噪聲。H0表示信道空閑，H1表示信道被主用戶占用，H2表示信道被次用戶占用。

由式（1）可見信道被分為3種狀態(tài)：空閑、被主用戶占用、被次用戶占用。次用戶會(huì)根據(jù)3種不同的信道狀態(tài)采取不同的策略。

2AMAC協(xié)議描述

使用AMAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)5個(gè)變量和2個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：時(shí)間差的堆棧stack1、stack2和自身數(shù)據(jù)量的變量DZ、與主用戶歷史活動(dòng)相關(guān)的時(shí)間差變量d1、與別的CRN的次用戶歷史活動(dòng)有關(guān)的時(shí)間差變量d2、主用戶占用授權(quán)信道時(shí)次用戶往別的信道切換的等待時(shí)間D1和別的次用戶占用信道時(shí)當(dāng)前次用戶切換其它信道的等待時(shí)間D2，D1、D2初始值均等于DIFS（Distributed Interframe Space，分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔）。

2.1適時(shí)切換機(jī)制

AMAC對(duì)于不同信道狀態(tài)采用不同的策略。信道有3種可能的狀態(tài)：空閑、被主用戶占用、被次用戶占用。對(duì)于授權(quán)信道被主用戶占用的狀態(tài)，次用戶保持偵聽，同時(shí)偵聽其它信道。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)3種結(jié)果：①偵聽到其它信道空閑；②沒有偵聽到有空閑的其它信道，但是一段時(shí)間后偵聽到授權(quán)信道空閑（主用戶使用完畢）；③沒有偵聽到有空閑的其它信道，但是一段時(shí)間后偵聽到授權(quán)信道被另外一個(gè)CRN的次用戶占用。

第一種情況，次用戶直接切換信道；第二種情況，次用戶直接占用授權(quán)信道；第三種情況（當(dāng)初始感知的信道結(jié)果是其它CRN次用戶占用授權(quán)信道的情況，AMAC的處理方法和第三種情況類似），AMAC的處理方法和FMAC不同[9]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在CRN內(nèi)部還可能會(huì)出現(xiàn)空閑信道，如果單一地競(jìng)爭(zhēng)信道，可能浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，應(yīng)給次用戶增加一種適當(dāng)?shù)那袚Q機(jī)制，以利用空閑信道。AMAC協(xié)議設(shè)計(jì)了次用戶對(duì)自身數(shù)據(jù)量大小認(rèn)知的機(jī)制，并命名為DSR（data size recognition）機(jī)制。AMAC協(xié)議規(guī)定當(dāng)前SU（Secondary User）和占用授權(quán)信道的SU競(jìng)爭(zhēng)信道之前，先調(diào)用DSR機(jī)制，對(duì)自身的數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列進(jìn)行認(rèn)知，如果隊(duì)列較短，競(jìng)爭(zhēng)授權(quán)信道。如果隊(duì)列較長(zhǎng)，就要啟動(dòng)掃描機(jī)制，掃描自身CRN內(nèi)部的信道。同時(shí)AMAC協(xié)議還設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制（下面會(huì)詳細(xì)描述），因此同時(shí)要監(jiān)聽原授權(quán)信道。如果發(fā)現(xiàn)有空閑非授權(quán)信道，就切換信道。如果沒有空閑信道，繼續(xù)掃描，同時(shí)監(jiān)聽原來(lái)被占用的授權(quán)信道，一旦發(fā)現(xiàn)空閑信道，就切換過去。還有一種可能，有些情況下會(huì)長(zhǎng)時(shí)間沒有空閑信道，出現(xiàn)次用戶被“餓死”的情況。因此，本文加入了一個(gè)計(jì)時(shí)機(jī)制，根據(jù)802.11的相關(guān)特性數(shù)據(jù)，本文把最長(zhǎng)等待時(shí)間設(shè)置為100ms，如果100ms后仍然沒有空閑信道，次用戶就和FMAC協(xié)議一樣與當(dāng)前正在占用信道的次用戶競(jìng)爭(zhēng)使用授權(quán)信道。適時(shí)切換機(jī)制如圖2所示。

2.2基于周圍節(jié)點(diǎn)歷史活動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的切換時(shí)延相較于WiFi等普通的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可能更長(zhǎng)，切換代價(jià)更大——WiFi的頻譜范圍較窄，因此切換起來(lái)也較快。而認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件可能要橫跨很寬的頻譜范圍進(jìn)行調(diào)諧工作，花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，可能會(huì)比WiFi多出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間[9]。而且對(duì)于無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充能量的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)（例如戰(zhàn)時(shí)布撒在敵占區(qū)用于收集情報(bào)的傳感器節(jié)點(diǎn)），能量又是很珍貴的，頻繁切換或者跨越大頻譜范圍切換需要消耗很多能量。并且有研究指出，無(wú)線節(jié)點(diǎn)消耗能量對(duì)溫室氣體排放的影響也在與日俱增[9]。因此，設(shè)計(jì)一種合理的協(xié)議讓次用戶盡量減少切換是很有意義的。

在實(shí)際應(yīng)用中，若干主用戶和一批次用戶同時(shí)存在的同一個(gè)干擾區(qū)域內(nèi)，特別是干擾區(qū)域內(nèi)某一部分區(qū)域的用戶性質(zhì)往往具有相似性，一段時(shí)間內(nèi)的通信數(shù)據(jù)量也往往是類似的，同一對(duì)用戶更是如此。因此，在鄰近一段時(shí)間內(nèi)他們的通信情況可以適當(dāng)預(yù)測(cè)，根據(jù)鄰近前一段時(shí)間的歷史通信情況可以適當(dāng)預(yù)測(cè)接下來(lái)一段時(shí)間的通信情況。本文根據(jù)搶占信道用戶的歷史通信情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整切換到另外信道的時(shí)間，從而保證網(wǎng)絡(luò)性能的最優(yōu)化。具體地講，就是通過信道掃描機(jī)制，在切換到新的信道之后，還要繼續(xù)監(jiān)測(cè)原來(lái)的信道，如果短時(shí)間內(nèi)原信道被空了出來(lái)，說(shuō)明搶占信道的用戶要發(fā)送的數(shù)據(jù)量比較小，根據(jù)這種情況，適當(dāng)增大切換信道的等待時(shí)間，使得當(dāng)前次用戶有可能在切換信道之前，就能檢測(cè)到原來(lái)信道被空出來(lái)的情況，避免一些不必要的切換。

動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制通過計(jì)算原授權(quán)信道空出來(lái)的時(shí)間點(diǎn)和切換時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間差調(diào)整切換等待時(shí)間。按照802.11的規(guī)定，次用戶在切換信道之前，要先等待一段時(shí)間，這段時(shí)間等于DIFS（Distributed Interframe Space，分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔）[10]。動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制將等待時(shí)間設(shè)為變量，與等待主用戶退出信道時(shí)間相關(guān)的切換信道等待時(shí)間設(shè)為變量D1，與等待別的CRN的次用戶退出使用信道時(shí)間相關(guān)的切換信道等待時(shí)間設(shè)為變量D2，D1、D2的初始值均為DIFS。相應(yīng)地，與主用戶相關(guān)的時(shí)間差設(shè)為變量d1，與其它CRN次用戶相關(guān)的時(shí)間差設(shè)為變量d2。如果上述時(shí)間差連續(xù)3次都較小，就適當(dāng)增大切換等待時(shí)間，讓切換信道的等待時(shí)間在DIFS的基礎(chǔ)上增加適當(dāng)?shù)闹?，以保證次用戶有可能在切換信道之前就接入原授權(quán)信道，避免一些不必要的切換。

2.3AMAC協(xié)議算法過程

AMAC協(xié)議在FMAC協(xié)議三狀態(tài)模型的基礎(chǔ)上增加了適時(shí)切換機(jī)制和動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制，具體算法描述如下：

Step 1感知授權(quán)信道（CH0）。

Step 2如果CH0為空，則利用CH0進(jìn)行通信；如果CH0被主用戶占用，轉(zhuǎn)入Step 3；如果CH0被別的CRN的SU占用，轉(zhuǎn)入Step 4。

Step 3偵聽CH0，同時(shí)偵聽其它信道。如果偵聽到有其它空閑信道（CHi），則次用戶切換過去進(jìn)行通信（第一次要先等待DIFS的時(shí)間），記錄開始發(fā)送的時(shí)間time1，同時(shí)偵聽CH0。如果自身數(shù)據(jù)還沒有傳完，但CH0為空，記錄此時(shí)間time2。令d1=time2-time1（次用戶第二次執(zhí)行此算法，會(huì)自動(dòng)覆蓋原d1的值，d2同理），根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，同時(shí)基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)化考慮，本文將判斷標(biāo)準(zhǔn)定為150us。如果d1<150us，將d1的值壓入堆棧stack1，如果d1≥150us，將stack1清空。如果stack1儲(chǔ)存了3個(gè)數(shù)據(jù)，令D1=D1+d1max，這里d1max表示連續(xù)3次記錄的時(shí)間差的最大值。如果沒有偵聽到其它空閑信道，但一段時(shí)間后CH0為空，次用戶利用CH0進(jìn)行通信。如果沒有偵聽到其它信道空閑，但一段時(shí)間后偵聽到授權(quán)信道被其它CRN的SU占用，轉(zhuǎn)入Step 4。

Step 4當(dāng)前次用戶（SU0）調(diào)用認(rèn)知機(jī)制，對(duì)自身數(shù)據(jù)量大小進(jìn)行認(rèn)知。如果自身數(shù)據(jù)量（用DZ（data size）表示）較?。〞杭俣ㄒ?MB為準(zhǔn)），即DZ<1MB，應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)使用授權(quán)信道。如果DZ>1MB，轉(zhuǎn)入Step 5。

Step 5感知所有信道（授權(quán)信道和自身所在CRN內(nèi)部的非授權(quán)信道），如果發(fā)現(xiàn)空閑非授權(quán)信道，等待D2（初始值為DIFS）的時(shí)間后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄下此時(shí)間time3。同時(shí)監(jiān)聽授權(quán)信道，如果自身數(shù)據(jù)在還沒有傳完的情況下授權(quán)信道為空，記錄下此時(shí)間time4。令d2=time4-time3，將d2壓入棧stack2。如果d2<150us，將d2的值壓入棧stack2，如果d2>=150us，將stack2清空。如果stack2存滿了3個(gè)數(shù)據(jù)，令D2=D2+d2max，d2max等于stack2中3個(gè)數(shù)據(jù)的最大值。如果感知時(shí)間大于100ms后依然沒有空閑信道，即可競(jìng)爭(zhēng)使用原授權(quán)信道。

3性能分析

下面給出利用omnet得出的仿真結(jié)果。本文實(shí)驗(yàn)使用圖1所示的拓?fù)淠Ｐ?。讓次用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)量大小從[0.5s×124kb，2s×124kb]范圍中取隨機(jī)值。每個(gè)包的大小本文設(shè)置成256Byte。讓第一對(duì)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的每次開始（請(qǐng)求）發(fā)送時(shí)間從[0，0.1s]之間取一個(gè)隨機(jī)值，讓第二對(duì)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的每次請(qǐng)求發(fā)送時(shí)間從[0.1s，5s]范圍中取隨機(jī)值。把A、B節(jié)點(diǎn)對(duì)和C、D節(jié)點(diǎn)對(duì)設(shè)置成不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)包。在CRN1內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)非授權(quán)信道，在CRN1和CRN2之間的公共區(qū)域設(shè)置一個(gè)授權(quán)信道。本文為授權(quán)信道設(shè)置一個(gè)PU（Primary User，主用戶）的到達(dá)概率P0。然后分別取幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)，根據(jù)這些時(shí)間點(diǎn)上A、B通信節(jié)點(diǎn)對(duì)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量在坐標(biāo)圖里描點(diǎn)，然后根據(jù)取的這些點(diǎn)畫出散點(diǎn)圖。場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置如表1所示。

測(cè)試吞吐量的實(shí)驗(yàn)中，本文讓主用戶在10s和40s的時(shí)候分別出現(xiàn)一次，并且占用1s時(shí)間，如圖3所示。從圖間都處于競(jìng)爭(zhēng)使用信道的狀態(tài)，而使用AMAC的用戶也有近一半時(shí)間在次用戶之間競(jìng)爭(zhēng)使用信道的狀態(tài)。注意到AMAC在15s和60s的時(shí)間內(nèi)η處于0.6左右，那是因?yàn)樵谶@1s內(nèi)可能有部分時(shí)間次用戶還沒切換到新的信道，在這部分時(shí)間次用戶的通信量為零。35s時(shí)使用FAMC的次用戶η值超過了0.8，出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)楹退?jìng)爭(zhēng)使用信道的另一對(duì)次用戶使用信道完畢或者還未開始使用信道。10s和40s時(shí)使用AMAC的用戶通信量都降為零，說(shuō)明此時(shí)主用戶的授權(quán)信道不可用，而且自身CRN內(nèi)部的非授權(quán)信道也正在被占用；使用FMAC的用戶在40s時(shí)間內(nèi)通信數(shù)據(jù)量并不為零，說(shuō)明它尋找到了新的可使用信道。但是從整體情況來(lái)看，出現(xiàn)η值較大的情況（出現(xiàn)切換信道或獨(dú)用信道的情況）AMAC顯然比FMAC多，因?yàn)镕MAC只有在主用戶占用信道時(shí)才會(huì)尋求切換信道，而AMAC不但在主用戶占用信道時(shí)會(huì)切換信道，在次用戶占用信道時(shí)也會(huì)切換信道。所以，從整體情況看，使用AMAC的情況下次用戶的通信情況比使用FMAC的情況下好得多。

圖4中的θ是η取平均值之后的結(jié)果。隨著PU出現(xiàn)概率的增加，A、B節(jié)點(diǎn)的通信量逐漸下降。這是因?yàn)殡S著PU出現(xiàn)概率的增大，PU越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)在授權(quán)信道上，使得次用戶有較低的概率接入授權(quán)信道，從而影響了次用戶的通信。但是從整體上來(lái)看，不管PU處于什么到達(dá)概率，使用AMAC的用戶始終比使用FMAC的用戶表現(xiàn)得更好。

4結(jié)語(yǔ)

考慮到多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)共存的背景下各節(jié)點(diǎn)的通信問題，并在前人提出的三狀態(tài)模型基礎(chǔ)上增加了MAC層協(xié)議。協(xié)議把信道狀態(tài)劃分為3種狀態(tài)，并讓次用戶根據(jù)不同的信道狀態(tài)分別采用不同的處理方法。同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)情況，增加了“競(jìng)爭(zhēng)信道+適當(dāng)切換”機(jī)制，提高了網(wǎng)絡(luò)用戶通信的靈活性。同時(shí)還設(shè)計(jì)了基于歷史通信情況的認(rèn)知指導(dǎo)信道切換的方法，使得次用戶的信道切換不再盲目，而是只在最適合切換的時(shí)候才切換，節(jié)省了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)開銷，使得網(wǎng)絡(luò)中的通信更加有效率。總之，協(xié)議主要提高了次用戶的通信效率，并兼顧了次用戶之間競(jìng)爭(zhēng)使用信道的公平性。但是本文沒有建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，只是通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了改進(jìn)的有效性，需要進(jìn)一步建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和理論統(tǒng)計(jì)分析，從理論的結(jié)果證實(shí)改進(jìn)效果，并進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

[1]A MASRUB， H AlRAWESHIDY.Time slotted based cognitive MAC protocols for multichannel wireless ad hoc networks[J].International Wireless Communications and Mobile Computing Conference （IWCMC），2012：366370.

[2]CUINAZHAO， JING HU， LIANFENG SHEN.A MAC protocol of cognitive networks based on IEEE 802.11[J].International Conference on Communication Technology，2010：11331136.

[3]JAEOK PARK， MIHAELA VAN DER SCHAAR.Cognitive MAC protocols using memory for distributed spectrum sharing under limited spectrum sensing[J].IEEE Transactions on Communications，2011：26272637.

[4]HANG SU， XI ZHANG.Opportunistic MAC protocols for cognitive radio based wireless networks[J]. Annual Conference on Information Sciences and Systems，2007：363368.

[5]王揮，高刃.一種改進(jìn)的基于MMAC協(xié)議的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2013（12）：6675.

[6]I KAKALOU，G PAPADIMITRIOU，P NICOPOLITIDIS，et al.A reinforcement learningbased cognitive MAC protocol [J].IEEE International Conference on Communications （ICC），2015：56085613.

[7]Y ZHAO， M SONG， C XIN，et al.Spectrum sensing based on threestate model to accomplish alllevel fairness for coexisting multiple cognitive radio networks[J].IEEEINFOCOM， 2012：17821790.

[8]Y ZHAO， M SONG， C XIN.FMAC： a fair mac protocol for coexisting cognitive radio networks[J].IEEEINFOCOM， 2013：14741482.

[9]Y MOORTHY， S PILLAI. Novel design of sensing and transmission duration in cognitive radios for energy efficiency[J].International Conference on Wireless Communications，Signal Processing and Networking （WiSPNET）， 2017：112116.

[10]斯托林斯.無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)[M].何軍，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

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