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爭使用信道，然而單純的競爭并不是好方法。經(jīng)過研究，在認知無線電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部還有可能會出現(xiàn)空閑信道，這就會造成資源浪費。因此，考慮增加一種機制：基于對自身數(shù)據(jù)量大小的認知，進行適當(dāng)切換。同時基于歷史通信情況動態(tài)地調(diào)整切換等待時間，從而進一步提高網(wǎng)絡(luò)效率。經(jīng)過實驗對比發(fā)現(xiàn)，改進后的網(wǎng)絡(luò)性能明顯比前者好。

關(guān)鍵詞：認知無線電；數(shù)據(jù)量；歷史通信情況；競爭；切換

DOIDOI：10.11907/rjdk.172528

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號文章編號：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

認知無線電較好地提高了頻譜效率，被看作是一項革命性的技術(shù)創(chuàng)新。目前對認知無線電的研究正在逐步深入，大量專家學(xué)者均聚焦于此。各國政府也投入大量的人力、財力進行這方面的研究。例如美國國防部資助的DARPA XG項目，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）提出了500MHz國家寬帶計劃。2008年初，我國也在973計劃中啟動了認知無線電基礎(chǔ)研究。

在認知無線電研究中，對MAC層協(xié)議的研究又是一個熱點問題。認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的信道是動態(tài)可用的，因此為認知無線電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一個公平和高效的MAC協(xié)議非常具有挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了一些認知無線電網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議[15]。文獻[1]通過引入時隙的概念提出MAC協(xié)議，把時間分成多個時隙分別進行控制和數(shù)據(jù)傳輸，避免了隨機接入引起的沖突碰撞問題。文獻[2]是基于802.11DCF設(shè)計的認知網(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控制信道，距離較遠的次用戶共用另一個控制信道，從而組成了若干個次用戶組。然后每個用戶組通過邊界的橋梁節(jié)點與鄰近的用戶組連接起來。文獻[3]引入了“記憶”的概念，通過函數(shù)f：ys→[0，1]實現(xiàn)由次用戶上一個時隙狀態(tài)的“記憶”決定當(dāng)前時隙次用戶根據(jù)什么概率進行傳輸。其中ys={idle，busy，success，failure}，上一個時隙狀態(tài)y是ys的一種，那么當(dāng)前時隙次用戶將根據(jù)f（y）的概率進行傳輸。文獻[4]設(shè)計的MAC協(xié)議給每個次用戶節(jié)點配備兩個收發(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隙完成。時隙被分成兩個階段：報告階段和協(xié)商階段。在時隙一開始，SDR收發(fā)器感知信道，如果感知到某個信道空閑，就通過控制收發(fā)器發(fā)送一個信標幀，否則不發(fā)送任何信標幀。如果每一個信道都至少被一個次用戶感知過，所有的次用戶就都獲得了整個授權(quán)頻帶的使用情況。然后次用戶再協(xié)商選擇信道進行數(shù)據(jù)傳輸。文獻[5]提出了CRMMAC協(xié)議，該協(xié)議也是把時間分成周期性的時隙，每個時隙分為4個階段：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，會記錄一個空閑信道列表，然后把帶有這個空閑信道列表的ATIM幀發(fā)送給目的節(jié)點，目的節(jié)點收到之后，從空閑信道列表中選擇一個公共信道，然后把這個公共信道以ATIMACK幀的形式發(fā)送出去，源節(jié)點收到后再發(fā)送一個確認使用的幀，然后信道預(yù)留成功，源節(jié)點就可通過這個信道進行數(shù)據(jù)傳輸。文獻[6]提出了一種使用分布式學(xué)習(xí)增強方案的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)計都是考慮單一的CRN（cognitive radio network，認知無線電網(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)實情況中經(jīng)常會出現(xiàn)不同的認知無線電網(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)問題對認知無線電網(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CRN內(nèi)的次用戶是不能識別另一個CRN的次用戶的，因此會把次用戶當(dāng)成主用戶。另外現(xiàn)有的MAC協(xié)議設(shè)計都是兩狀態(tài)信道模型，只能區(qū)分兩種信道狀態(tài)：空閑和忙。針對這種情況，文獻[7]第一次提出了三狀態(tài)模型，即把原來的兩狀態(tài)信道模型升級為了三狀態(tài)模型，把原來的“忙”的狀態(tài)分成了兩個狀態(tài)：被主用戶占用和被次用戶占用。而且文獻[7]提出了一種算法，可以精確地檢測出當(dāng)前信道具體處于3個狀態(tài)中的哪一個。然后文獻[8]基于這個三狀態(tài)模型設(shè)計了一種新的MAC層協(xié)議FMAC。該協(xié)議規(guī)定，當(dāng)探測到信道處于忙碌狀態(tài)時，不是簡單地切換到另外一個信道，而是運用頻譜感知算法[7]區(qū)分當(dāng)前信道上是一個主用戶的信號還是一個次用戶的信號。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用信道。

經(jīng)過理論分析，單純爭用信道的設(shè)計并不完美，因為在爭用信道的同時，可能自身CRN內(nèi)部正存在著空閑信道，此時去爭用信道顯然會造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。當(dāng)競爭節(jié)點比較多時次用戶較難得到信道，如果占用信道的用戶是一個大數(shù)據(jù)量用戶，其他次用戶也可能會遲遲得不到信道使用權(quán)。得不到信道會導(dǎo)致認知節(jié)點持續(xù)地占用CCA信道，消耗掉認知節(jié)點很多能量。本文設(shè)計了一個靈活的方案，采用基于自身數(shù)據(jù)量大小認知進行適當(dāng)切換的機制。在切換機制的基礎(chǔ)上，本文同時加入了一種根據(jù)歷史通信情況指導(dǎo)切換的機制。通過計算切換時間和原信道數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時間的時間差，動態(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，就檢測到原信道空閑，避免了切換。經(jīng)過實驗仿真，證明以上兩種設(shè)計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)運行效率。

1系統(tǒng)模型

如圖1所示，2個共存的認知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分別用CRN1、CRN2表示，CRN1和CRN2處于一個共同的授權(quán)頻譜干擾范圍內(nèi)，兩個認知網(wǎng)絡(luò)域共用一個授權(quán)頻帶。CRN1有N1個次用戶，CRN2有N2個次用戶。每個次用戶都擁有兩個收發(fā)器，一個用于頻譜感知，一個用于數(shù)據(jù)傳輸。同一個CRN的各個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間，令DT表示頻譜感知時間，也即次用戶們需要經(jīng)過一個DT的時間來判定信道狀態(tài)，信道狀態(tài)每DT時間周期性地更新一次。

由于兩狀態(tài)模型在多個認知無線網(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；xp表示主用戶發(fā)送的信號；ri是次用戶收到的信號；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)點需要維護5個變量和2個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：時間差的堆棧stack1、stack2和自身數(shù)據(jù)量的變量DZ、與主用戶歷史活動相關(guān)的時間差變量d1、與別的CRN的次用戶歷史活動有關(guān)的時間差變量d2、主用戶占用授權(quán)信道時次用戶往別的信道切換的等待時間D1和別的次用戶占用信道時當(dāng)前次用戶切換其它信道的等待時間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適時切換機制

AMAC對于不同信道狀態(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，同時偵聽其它信道。這時會出現(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，但是一段時間后偵聽到授權(quán)信道被另外一個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)部還可能會出現(xiàn)空閑信道，如果單一地競爭信道，可能浪費網(wǎng)絡(luò)資源，應(yīng)給次用戶增加一種適當(dāng)?shù)那袚Q機制，以利用空閑信道。AMAC協(xié)議設(shè)計了次用戶對自身數(shù)據(jù)量大小認知的機制，并命名為DSR（data size recognition）機制。AMAC協(xié)議規(guī)定當(dāng)前SU（Secondary User）和占用授權(quán)信道的SU競爭信道之前，先調(diào)用DSR機制，對自身的數(shù)據(jù)緩沖隊列進行認知，如果隊列較短，競爭授權(quán)信道。如果隊列較長，就要啟動掃描機制，掃描自身CRN內(nèi)部的信道。同時AMAC協(xié)議還設(shè)計了動態(tài)適應(yīng)機制（下面會詳細描述），因此同時要監(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，同時監(jiān)聽原來被占用的授權(quán)信道，一旦發(fā)現(xiàn)空閑信道，就切換過去。還有一種可能，有些情況下會長時間沒有空閑信道，出現(xiàn)次用戶被“餓死”的情況。因此，本文加入了一個計時機制，根據(jù)802.11的相關(guān)特性數(shù)據(jù)，本文把最長等待時間設(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爭使用授權(quán)信道。適時切換機制如圖2所示。

2.2基于周圍節(jié)點歷史活動情況的動態(tài)適應(yīng)機制

認知網(wǎng)絡(luò)的切換時延相較于WiFi等普通的無線網(wǎng)絡(luò)可能更長，切換代價更大——WiFi的頻譜范圍較窄，因此切換起來也較快。而認知無線電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件可能要橫跨很寬的頻譜范圍進行調(diào)諧工作，花費很長時間，可能會比WiFi多出幾個數(shù)量級的時間[9]。而且對于無法及時補充能量的認知節(jié)點（例如戰(zhàn)時布撒在敵占區(qū)用于收集情報的傳感器節(jié)點），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，無線節(jié)點消耗能量對溫室氣體排放的影響也在與日俱增[9]。因此，設(shè)計一種合理的協(xié)議讓次用戶盡量減少切換是很有意義的。

在實際應(yīng)用中，若干主用戶和一批次用戶同時存在的同一個干擾區(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，一段時間內(nèi)的通信數(shù)據(jù)量也往往是類似的，同一對用戶更是如此。因此，在鄰近一段時間內(nèi)他們的通信情況可以適當(dāng)預(yù)測，根據(jù)鄰近前一段時間的歷史通信情況可以適當(dāng)預(yù)測接下來一段時間的通信情況。本文根據(jù)搶占信道用戶的歷史通信情況，動態(tài)調(diào)整切換到另外信道的時間，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制，在切換到新的信道之后，還要繼續(xù)監(jiān)測原來的信道，如果短時間內(nèi)原信道被空了出來，說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間，使得當(dāng)前次用戶有可能在切換信道之前，就能檢測到原來信道被空出來的情況，避免一些不必要的切換。

動態(tài)適應(yīng)機制通過計算原授權(quán)信道空出來的時間點和切換時間點的時間差調(diào)整切換等待時間。按照802.11的規(guī)定，次用戶在切換信道之前，要先等待一段時間，這段時間等于DIFS（Distributed Interframe Space，分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔）[10]。動態(tài)適應(yīng)機制將等待時間設(shè)為變量，與等待主用戶退出信道時間相關(guān)的切換信道等待時間設(shè)為變量D1，與等待別的CRN的次用戶退出使用信道時間相關(guān)的切換信道等待時間設(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)的時間差設(shè)為變量d1，與其它CRN次用戶相關(guān)的時間差設(shè)為變量d2。如果上述時間差連續(xù)3次都較小，就適當(dāng)增大切換等待時間，讓切換信道的等待時間在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)上增加了適時切換機制和動態(tài)適應(yīng)機制，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行通信（第一次要先等待DIFS的時間），記錄開始發(fā)送的時間time1，同時偵聽CH0。如果自身數(shù)據(jù)還沒有傳完，但CH0為空，記錄此時間time2。令d1=time2-time1（次用戶第二次執(zhí)行此算法，會自動覆蓋原d1的值，d2同理），根據(jù)802.11標準的規(guī)定，同時基于對網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)化考慮，本文將判斷標準定為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儲存了3個數(shù)據(jù)，令D1=D1+d1max，這里d1max表示連續(xù)3次記錄的時間差的最大值。如果沒有偵聽到其它空閑信道，但一段時間后CH0為空，次用戶利用CH0進行通信。如果沒有偵聽到其它信道空閑，但一段時間后偵聽到授權(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)用認知機制，對自身數(shù)據(jù)量大小進行認知。如果自身數(shù)據(jù)量（用DZ（data size）表示）較小（暫假定以1MB為準），即DZ<1MB，應(yīng)競爭使用授權(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）的時間后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，同時記錄下此時間time3。同時監(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個數(shù)據(jù)，令D2=D2+d2max，d2max等于stack2中3個數(shù)據(jù)的最大值。如果感知時間大于100ms后依然沒有空閑信道，即可競爭使用原授權(quán)信道。

3性能分析

下面給出利用omnet得出的仿真結(jié)果。本文實驗使用圖1所示的拓撲模型。讓次用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)量大小從[0.5s×124kb，2s×124kb]范圍中取隨機值。每個包的大小本文設(shè)置成256Byte。讓第一對節(jié)點的發(fā)送節(jié)點的每次開始（請求）發(fā)送時間從[0，0.1s]之間取一個隨機值，讓第二對節(jié)點的發(fā)送節(jié)點的每次請求發(fā)送時間從[0.1s，5s]范圍中取隨機值。把A、B節(jié)點對和C、D節(jié)點對設(shè)置成不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)包。在CRN1內(nèi)部設(shè)置兩個非授權(quán)信道，在CRN1和CRN2之間的公共區(qū)域設(shè)置一個授權(quán)信道。本文為授權(quán)信道設(shè)置一個PU（Primary User，主用戶）的到達概率P0。然后分別取幾個時間點，根據(jù)這些時間點上A、B通信節(jié)點對的網(wǎng)絡(luò)吞吐量在坐標圖里描點，然后根據(jù)取的這些點畫出散點圖。場景參數(shù)設(shè)置如表1所示。

測試吞吐量的實驗中，本文讓主用戶在10s和40s的時候分別出現(xiàn)一次，并且占用1s時間，如圖3所示。從圖間都處于競爭使用信道的狀態(tài)，而使用AMAC的用戶也有近一半時間在次用戶之間競爭使用信道的狀態(tài)。注意到AMAC在15s和60s的時間內(nèi)η處于0.6左右，那是因為在這1s內(nèi)可能有部分時間次用戶還沒切換到新的信道，在這部分時間次用戶的通信量為零。35s時使用FAMC的次用戶η值超過了0.8，出現(xiàn)這種情況主要是因為和它競爭使用信道的另一對次用戶使用信道完畢或者還未開始使用信道。10s和40s時使用AMAC的用戶通信量都降為零，說明此時主用戶的授權(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時間內(nèi)通信數(shù)據(jù)量并不為零，說明它尋找到了新的可使用信道。但是從整體情況來看，出現(xiàn)η值較大的情況（出現(xiàn)切換信道或獨用信道的情況）AMAC顯然比FMAC多，因為FMAC只有在主用戶占用信道時才會尋求切換信道，而AMAC不但在主用戶占用信道時會切換信道，在次用戶占用信道時也會切換信道。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)點的通信量逐漸下降。這是因為隨著PU出現(xiàn)概率的增大，PU越來越頻繁地出現(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。但是從整體上來看，不管PU處于什么到達概率，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

考慮到多個認知無線電網(wǎng)絡(luò)共存的背景下各節(jié)點的通信問題，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。同時考慮到實際應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)情況，增加了“競爭信道+適當(dāng)切換”機制，提高了網(wǎng)絡(luò)用戶通信的靈活性。同時還設(shè)計了基于歷史通信情況的認知指導(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候才切換，節(jié)省了認知網(wǎng)絡(luò)開銷，使得網(wǎng)絡(luò)中的通信更加有效率?？傊?，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爭使用信道的公平性。但是本文沒有建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進行理論分析，只是通過仿真實驗證實了改進的有效性，需要進一步建立數(shù)學(xué)模型進行數(shù)學(xué)分析和理論統(tǒng)計分析，從理論的結(jié)果證實改進效果，并進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

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