一種小型認知無線網(wǎng)絡的通信協(xié)議的制定和評價*

史邇冬，趙雄鷹，汪一鳴

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215000)

認知無線網(wǎng)絡就是認知無線電的網(wǎng)絡化，其本質(zhì)在于將認知無線電的關鍵技術(shù)——環(huán)境感知、智能接入等應用于無線通信網(wǎng)絡的整體中去研究[1]。認知無線網(wǎng)絡能夠利用環(huán)境認知來獲取環(huán)境信息，通過對環(huán)境信息進行處理和學習做出智能決策，并以此進行網(wǎng)絡重構(gòu)，實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應。目前，歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)開始進行認知無線網(wǎng)絡的網(wǎng)絡級行為的研究和協(xié)議的制定。但是國內(nèi)的研究仍然主要處于頻譜感知、頻譜決策等分支學科研究階段。

1 認知無線網(wǎng)絡的環(huán)境感知方法

1.1 基于單節(jié)點的頻譜檢測方法

基于單節(jié)點的發(fā)射機頻譜檢測技術(shù)是認知無線電的關鍵技術(shù)之一，是構(gòu)成認知無線網(wǎng)絡環(huán)境感知體系的基本元素。只有在單個認知節(jié)點能夠較為快速、準確、穩(wěn)定地檢測出主用戶頻率使用狀態(tài)的基礎上，認知無線網(wǎng)絡才能夠做出準確的決策，建立合理的網(wǎng)絡架構(gòu)體系。

目前，國內(nèi)外研究較多的發(fā)射機檢測的頻譜感知方法主要有：匹配濾波器感知檢測、波形感知檢測、能量感知檢測和小波分析感知檢測等。

本課題采用能量感知檢測授權(quán)用戶信號的方法。能量檢測法的實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 能量檢測過程

能量檢測的判決規(guī)則為：

雖然能量感知檢測存在無法區(qū)分信號和噪聲、門限值不易確定、SNR較低時性能惡化嚴重、感應時間較長等缺點，但其具有實現(xiàn)方法簡單、計算復雜度低、不需要先驗知識等優(yōu)點，特別適用于成本控制嚴格、架構(gòu)簡單、對QoS要求不高的認知無線網(wǎng)絡。

1.2 協(xié)同感知方法

在一個完整的認知無線網(wǎng)絡中，僅僅依靠單個認知用戶自身進行頻譜感知是遠遠不夠的，單個認知用戶的本地頻譜檢測往往無法完整準確地描述整個網(wǎng)絡的頻譜環(huán)境[2]。因此，需要以多用戶協(xié)同感知的方法來獲得更加準確網(wǎng)絡頻譜環(huán)境，以便做出正確的決策。

協(xié)同感知一般有集中式感知和分布式感知兩種頻譜感知方法[3]。本課題采用的感知方式融合了集中式控制和分布式控制的特點，由控制節(jié)點負責感知覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜環(huán)境，為認知節(jié)點提供端對端認知信道；由認知節(jié)點在通信過程中自行檢測本地頻譜環(huán)境，并在必要時及時反饋給控制節(jié)點，控制節(jié)點根據(jù)判決規(guī)則重新調(diào)整認知信道的分配。本文將這種網(wǎng)絡架構(gòu)協(xié)議稱之為協(xié)議1。

2 認知無線網(wǎng)絡的通信協(xié)議設計

2.1 協(xié)議層次架構(gòu)

本課題設計的認知無線網(wǎng)絡通信協(xié)議的層次和功能如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議的層次和功能

由圖2可以看出，物理層的全部功能和數(shù)據(jù)鏈路層的部分功能已經(jīng)固化到了硬件系統(tǒng)中，只有少數(shù)參數(shù)可以通過軟件進行修改。而應用層的內(nèi)容主要由用戶在具體環(huán)境中進行具體設置。因此通信協(xié)議設計的主要工作集中在網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層。

2.2 控制節(jié)點的工作時序

本認知無線網(wǎng)絡控制節(jié)點需要完成的功能包括：接收認知無線網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送的通信請求、通知目的節(jié)點、尋找最佳頻率、將最佳通信頻率告知源節(jié)點和目的節(jié)點、信道惡化時重新尋找最佳通信頻率并告知。

根據(jù)以上要求，認知無線網(wǎng)絡控制節(jié)點的一個工作循環(huán)如圖3所示。

2.3 認知節(jié)點的工作時序

認知無線網(wǎng)絡節(jié)點需要完成的基本功能有兩個：數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。

(1)數(shù)據(jù)的發(fā)送。作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認知節(jié)點為了實現(xiàn)在認知信道的通信，首先要保持和控制節(jié)點的通信暢通，這樣才能夠獲得最優(yōu)化的決策；其次，節(jié)點需要有感知功能，作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認知節(jié)點需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中隨時監(jiān)測信道質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)信道狀況惡化，該認知節(jié)點需要立刻終止數(shù)據(jù)發(fā)送并通知控制節(jié)點，以便迅速獲得新的最佳頻率許可恢復通信。其實現(xiàn)過程循環(huán)如圖4所示。

圖3 控制節(jié)點的一個工作循環(huán)

圖4 認知無線網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的工作循環(huán)

(2)數(shù)據(jù)的接收。根據(jù)上文的數(shù)據(jù)發(fā)送過程，接收方認知節(jié)點應當這樣設置：

①在預設控制信道等待。一旦有通信請求，根據(jù)上文可知該通信請求無論來自哪個節(jié)點都一定是由基站向目的節(jié)點通知的。

②一旦收到控制節(jié)點的通信許可，接收節(jié)點立刻切換到基站下發(fā)的通信頻率中，等待同發(fā)送節(jié)點的通信。

③由于接收節(jié)點不負責頻譜感知，因此從接收節(jié)點的角度出發(fā)，一旦通信受阻，無論是何種原因?qū)е拢烧J定是信道惡化。此時，接收節(jié)點將切換到預設控制信道等待新的通信許可，如果未收到新的許可，則認定通信失敗。

④一旦通信結(jié)束，接收節(jié)點將重新切換到預設控制頻道。

認知網(wǎng)絡接收節(jié)點的一個工作循環(huán)如圖5所示。

圖5 認知無線網(wǎng)絡節(jié)點接收數(shù)據(jù)的工作循環(huán)

3 其他典型通信協(xié)議架構(gòu)形式

圖6左側(cè)這種網(wǎng)絡被稱作“完全非合作認知無線網(wǎng)絡”，也可以叫做“分布式認知無線網(wǎng)絡”，其架構(gòu)思路很簡單，那就是頻譜的感知、決策和數(shù)據(jù)通信完全由節(jié)點自身完成。這種架構(gòu)最大的特點是，作為通信的接收節(jié)點，由于通信之前沒有任何先驗信息，因此，接收節(jié)點需要在所有預設信道中輪流等待接收，直到收到握手包為止。本文將這種網(wǎng)絡架構(gòu)稱之為協(xié)議2。

圖6右側(cè)這種網(wǎng)絡的特點是，對頻譜的感知和決策由基站完成，認知節(jié)點不需要負責。認知節(jié)點只需要在通信時與基站聯(lián)系，并通過由基站分配的認知信道將數(shù)據(jù)傳輸給基站，基站負責將數(shù)據(jù)投遞給目的節(jié)點。一旦在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)信道惡化，由基站進行感知和信道切換，并及時將信道變化通知通信雙方的認知節(jié)點。本文將這種網(wǎng)絡架構(gòu)稱之為協(xié)議3。

圖6 獨立感知的認知無線網(wǎng)絡

4 基于算法時間復雜度的系統(tǒng)性能評價

4.1 算法復雜度概念簡介

同一個問題可以有多個解決方案，比如說對于本文的認知無線網(wǎng)絡，上文列出的三種協(xié)議架構(gòu)都能夠完成兩個認知節(jié)點的通信。但是哪一種方法能夠使用更少的資源去完成相同的任務呢？這就是復雜度的評判標準[4]。一般而言，完成一項任務所需要用到的資源越少，則說明方法的復雜度越低；反之則越高。

這里用運算元來衡量復雜度。一般而言，運算元指處理器每執(zhí)行一次不能再次分解的運算代碼的過程。在本文中，運算元指的是處理器每完成一次預定義好的模塊化程序的過程，且雖然網(wǎng)絡架構(gòu)方式不同，但是在完成一項功能時所做的基本動作是相同的。因此，這樣定義運算元將有助于簡化對時間復雜度的估計。經(jīng)估算，不同運算元的執(zhí)行時間如表1所示，其單位為機器周期。

表1 主要運算元的機器周期

在認知無線網(wǎng)絡中，通信協(xié)議的程序復雜度是由預設認知信道數(shù)目N和通信數(shù)據(jù)幀數(shù)P決定的。因此，故時間復雜度 T=T(N，P)。

4.2 通信鏈路建立的復雜度分析

根據(jù)分析可知，信道建立過程的一般順序為：首先進行頻譜決策確立最佳通信信道，然后發(fā)送節(jié)點同接收節(jié)點之間建立鏈路。建立鏈路的過程被稱為“握手”。令通信鏈路建立算法的時間復雜度為Ta，則本文的三種協(xié)議的網(wǎng)絡架構(gòu)的復雜度為 Ta1、Ta2、Ta3

架構(gòu)一的通信鏈路建立程序算法中，在最壞情況下，發(fā)送節(jié)點共需要執(zhí)行1次模塊初始化運算元，1次數(shù)據(jù)接收運算元，1次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元。同樣地，在最壞情況下，接收節(jié)點需要執(zhí)行1次模塊初始化運算元，1次數(shù)據(jù)接收運算元，1次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元；控制節(jié)點需要執(zhí)行1次初始化運算元，N次載波檢測運算元，兩次數(shù)據(jù)接收運算元，兩次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元。

當然，在3個時間復雜度中，有些程序流程是同時進行的，所以，如果要計算整個系統(tǒng)的時間復雜度，則需要減去其中重復計算的部分。就整個系統(tǒng)而言，在最壞的情況下，完成一次通信鏈路的建立共需要花費1個模塊初始化復雜度的時間，兩個數(shù)據(jù)收發(fā)的復雜度時間和N個載波檢測復雜度的時間。

將機器周期代入，可以得到

根據(jù)以上思路，經(jīng)統(tǒng)計，三種協(xié)議所占用的時間復雜度如表2所示。

表2 三種通信協(xié)議建立通信鏈路的時間復雜度

故有：

4.3 通信中斷恢復程序算法的復雜度分析

所謂通信中斷恢復，指的是在認知用戶通過認知信道通信的過程中，一旦遭遇授權(quán)用戶開機或者是信道惡化的情況，認知無線網(wǎng)絡能夠盡快地識別并切換工作信道，將認知用戶的通信恢復的過程。這個過程是維持認知無線網(wǎng)絡正常工作運轉(zhuǎn)必需的環(huán)節(jié)。其占用的資源和耗費的時間也是評價認知無線網(wǎng)絡性能的重要標準和依據(jù)。

經(jīng)統(tǒng)計，三種協(xié)議所占用的時間復雜度如表3所示。

表3 三種通信協(xié)議通信中斷恢復的時間復雜度

令三種架構(gòu)協(xié)議的在通信中斷恢復程序算法上的復雜度為 Tb1、Tb2、Tb3，則：

Tb1=142 500+600N(N≥1)(機器周期)

Tb2=47 500+48 100N(N≥1)(機器周期)

Tb3=190 000+600N(N≥1)(機器周期)

4.4 數(shù)據(jù)通信過程復雜度分析

數(shù)據(jù)通信過程復雜度是指認知無線網(wǎng)絡節(jié)點完成一次數(shù)據(jù)通信所需要消耗的系統(tǒng)時間資源和空間資源。對于認知無線網(wǎng)絡而言，在通信過程中未出現(xiàn)認知信道被占用的情況下，其頻譜感知速度和數(shù)據(jù)通信速度都將達到最快，因為不需要為授權(quán)用戶而退出頻段重新建立鏈路。但是，由于授權(quán)用戶具有不需預告而直接使用頻段的優(yōu)先權(quán)，因此，實際上認知用戶在每次發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前系統(tǒng)都會執(zhí)行一次本地的信道檢測。故發(fā)送1幀數(shù)據(jù)需要執(zhí)行1次頻譜檢測運算元，1次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元和1次數(shù)據(jù)接收運算元。所以，完成一次數(shù)據(jù)通信需要執(zhí)行P次頻譜檢測運算元、P次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元。同時，數(shù)據(jù)通信的過程不需要控制節(jié)點的干預。

令三種架構(gòu)協(xié)議的數(shù)據(jù)通信過程復雜度為Tc1、Tc2、Tc3，則：

對于協(xié)議2而言，在沒有授權(quán)用戶干預的前提下，完成一次數(shù)據(jù)通信程序所占用的時間復雜度和架構(gòu)一是相同的，即：

而協(xié)議3所有的通信均依賴于基站，因此完成一次數(shù)據(jù)通信需要執(zhí)行P次頻譜檢測運算元，2P次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元和2P次數(shù)據(jù)接收運算元。即：

5 基于程序算法復雜度的性能評價

圖7為隨著認知信道數(shù)目的增加，三種協(xié)議完成信道鏈路建立的時間復雜度變化曲線。

圖7 協(xié)議通信鏈路建立和中斷恢復算法的復雜度

從圖7可以看出，雖然三種協(xié)議均為一階復雜度，但是由于載波檢測過程所占用的時間資源非常之少，因此，決定程序算法時間復雜度的根本在于尋找接收節(jié)點并握手的過程。從圖7可以看出，當預設認知信道為1個，即固定信道時，無控制節(jié)點的架構(gòu)方案的時間復雜度更低。但是隨著預設認知信道的增加，有控制節(jié)點的架構(gòu)方案其時間復雜度的增加幅度很小，而沒有控制節(jié)點的架構(gòu)方案其復雜度迅速增長。由此可見，基站對于改善時間復雜度的作用多么重要。

圖8為隨著通信數(shù)據(jù)量的增加，三種協(xié)議的時間復雜度變化曲線。

由于協(xié)議1和協(xié)議2在數(shù)據(jù)通信的過程中均采用點對點通信的方式，因此兩者的時間復雜度隨著幀數(shù)的變化趨勢是相同的。由于協(xié)議3的數(shù)據(jù)發(fā)送需要完全依賴基站，故每發(fā)一幀數(shù)據(jù)要比其他兩種通信方式增加近一倍的復雜度。在數(shù)據(jù)通信方面，協(xié)議1和協(xié)議2的方案無疑更加優(yōu)越。

圖8 協(xié)議數(shù)據(jù)通信過程的復雜度

在鏈路建立程序算法方面，通過增加一個控制節(jié)點分擔原本由發(fā)送節(jié)點完成的頻譜檢測和鏈路建立的工作，可以極大地增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短鏈路建立時間。這種改進思路與算法設計中常用到的 “以空間換時間”是類似的，即通過增加系統(tǒng)的空間復雜度(增加控制節(jié)點)來降低系統(tǒng)的時間復雜度。

而在數(shù)據(jù)通信方面，點對點通信無疑可以節(jié)省更多的復雜度開銷，而如果將數(shù)據(jù)通信也交由基站轉(zhuǎn)發(fā)，則每一次數(shù)據(jù)通信需要完成兩次點對點通信，無疑極大地增加了控制節(jié)點的負擔，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的復雜度開銷。

根據(jù)以上分析可知，本文所采用的方案(協(xié)議 1)同其他的典型架構(gòu)方案相比無疑具有更大的優(yōu)越性。該方案結(jié)合了協(xié)議2和協(xié)議3各自的優(yōu)點，通過采用集中式控制、分布式感知、點對點通信的機制，盡可能地做到了揚長避短，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和復雜度得到了兼顧。

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