面向5G網(wǎng)絡的混合式雙工隨機MAC頻譜共享算法研究

羅守志　于林韜　朱一峰

摘要：針對5G頻譜資源短缺問題，本文提出了一種混合式雙工的隨機MAC頻譜共享算法。利用基于機會概率（OP）的隨機MAC，提出了混合半雙工 / 全雙工通信模型，其中每對的雙工模式由OP值動態(tài)確定。通過仿真證實了算法可行性，并證明了其具有比傳統(tǒng)系統(tǒng)高4倍的系統(tǒng)吞吐量。這對未來頻譜資源的利用顯示出巨大的潛力。

關(guān)鍵詞：5G；頻譜共享；混合式雙工；隨機MAC

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0125-02

1 引言

隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信用戶的快速增長使得頻譜資源的供需矛盾日益突出[1]。頻譜資源的稀缺和頻譜利用不均衡的問題已經(jīng)嚴重影響到了5G技術(shù)的發(fā)展[2]。這可以通過頻譜共享來解決，其允許利用率低的頻譜接入使用[3]。為此，共享網(wǎng)絡應該實時準確地跟蹤頻譜使用程度。

2 系統(tǒng)模型

針對準確的頻譜感知還存的諸多限制，本文提出了一種新的共享模型，預測未安裝傳感器的位置處的頻譜使用級別，并將訪問機會級別表示為概率，即機會概率（OP）。每個節(jié)點根據(jù)OP值隨機決定是否接入頻譜。從而，提出了基于機會概率的介質(zhì)訪問控制（MAC）策略，可以通過減少在高OP值區(qū)域中的并發(fā)傳輸來解決傳輸沖突問題，同時保證了能量效率。

3 混合式雙工隨機MAC頻譜共享算法

為了克服主次節(jié)點競爭攻擊問題，我們提出了基于傳感器的隨機MAC決策的機會算法，在一定程度的概率滿足足夠的閾值時，即使主要性能保證程度較低，也能進行通信（表1）。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 隨機MAC分析

如圖2實線所示，隨著接入閾值的增加，系統(tǒng)吞吐量和次節(jié)點的吞吐量略有下降，而主節(jié)點增加。其中，主節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的概率為0.4，與次節(jié)點相比，顯示主節(jié)點的吞吐量下降，而次節(jié)點吞吐量包括兩個可以在全雙工模式下工作的成對節(jié)點吞吐量。圖1顯示了節(jié)點的誤碼率，證明了主節(jié)點的BER減小而次節(jié)點增加。我們在主節(jié)點的BER圖中只考慮了0.4的傳輸概率，并且確認了主節(jié)點可以在足夠的接入閾值以上受到保護。

4.2 確定性MAC分析

根據(jù)圖2的結(jié)果，確定性值為0.5的虛線顯示，節(jié)點根據(jù)OP是否大于0.5來決定傳輸。次節(jié)點在低OP時開始停止傳輸信號，接入閾值為0，這代表主節(jié)點傳輸?shù)母呖赡苄?。因此，它會降低系統(tǒng)和次節(jié)點的吞吐量，同時增加主節(jié)點的吞吐量。因此，主節(jié)點的吞吐量增加高于隨機MAC決策，而次節(jié)點降低，因為確定性MAC不允許收發(fā)器傳輸信號。同樣，確定性值為0.7的點線顯示，如果從-3到2的接入閾值中存在主節(jié)點的傳輸，則次節(jié)點不傳輸信號。當接入閾值為3，確定性MAC停止，無論主節(jié)點是否正在發(fā)送信號，次節(jié)點都更頻繁地發(fā)送信號。

總之，與表示沒有任何次節(jié)點的主節(jié)點的吞吐量的虛/點線相比，主節(jié)點在高接入閾值或適當?shù)拇_定性值處保證是理想值，但是隨機MAC應該考慮有一些性能下降。然而，從系統(tǒng)級角度來看，隨機MAC確保穩(wěn)定的高性能，即使是單對分析，而確定性MAC則表現(xiàn)出相對低得多的性能。此外，由于接入閾值是傳輸要求，因此基于結(jié)果迭代地控制接入閾值并非易事。故，受接入閾值影響較小且通常提供良好結(jié)果的隨機MAC優(yōu)于確定性MAC，而確定性MAC根據(jù)接入閾值偶爾產(chǎn)生良好結(jié)果。

5 結(jié)語

本文提出了一種混合式雙工的隨機MAC頻譜共享算法。以概率的方式表示頻譜使用級別，即機會概率（OP）。在機會概率基礎上，提出了隨機MAC策略，其中每個節(jié)點以與OP值成正比的概率接入頻譜，并驗證了其可行性。利用基于機會概率的隨機MAC，還提出了混合半雙工 / 全雙工通信模型，其中每對的雙工模式由OP值動態(tài)確定。通過仿真，我們證實了所提出的算法的可行性，并證明了其具有比傳統(tǒng)系統(tǒng)高4倍的系統(tǒng)吞吐量。這對未來頻譜資源的利用顯示出巨大的潛力。

參考文獻

[1]本刊訊.IMT-2020（5G）推進組發(fā)布5G技術(shù)白皮書[J].中國無線電，2015，（5）.

[2]小火車，好多魚.大話5G[M].電子工業(yè)出版社，2016.

[3]周鈺哲.我國頻譜共享的可行性研究與推進建議[J].電信科學，2016，32（5）：146-151.