一種認知無線網(wǎng)絡(luò)中公共控制信道的動態(tài)建立方法*

史邇冬，汪一鳴

（蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006）

認知無線網(wǎng)絡(luò)CRN （Cognitive Radio Network）就是認知無線電的網(wǎng)絡(luò)化。其本質(zhì)在于將認知無線電CR（Cognitive Radio）的關(guān)鍵技術(shù)（環(huán)境感知、智能接入等）應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究[1]。CRN能夠利用認知來獲取環(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，并據(jù)此重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應(yīng)。

與其他的無線網(wǎng)絡(luò)類似，CRN也需要通過一定的方式來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的互相協(xié)調(diào)和控制以保證通信的正常進行，這就是公共控制信道產(chǎn)生的根本原因。簡單地說，公共控制信道就是一個事先約定好的專門進行用戶基本信息交換和控制指令下發(fā)的通信信道。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)中用于控制的開銷越來越大，公共控制信道的重要性也就越發(fā)凸顯。要想讓一個無線網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作，其公共控制信道的暢通和便捷是必不可少的。

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，CRN的公共控制信道有其自身特點，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）CRN的通信原理是 CR，即對授權(quán)用戶頻譜“空穴”的二次利用。從這個角度來說，CRN公共控制信道的建立和使用也應(yīng)當符合CR的基本原則，即不得影響授權(quán)用戶PU（Primary User）對該信道頻率的正常使用。

（2）在不影響PU對頻率的正常使用的前提下，CRN的控制信道也應(yīng)該具備公共控制信道的一般特點，即信道暢通且可以被所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點方便地使用或者監(jiān)聽。

（3）相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)，CRN在公共控制中需要用到更多的環(huán)境參數(shù)和控制信息。

目前關(guān)于CRN公共控制信道的設(shè)計主要有以下3種方案[2]。

（1）劃分出一段專門的頻譜作為公共控制信道，如參考文獻[3]；

（2）選擇一段免執(zhí)照頻段作為公共控制信道；

（3）采用超寬帶技術(shù)進行信令傳輸，以做到不干擾其他用戶，如參考文獻[4]。

這3種方案均有不盡人意之處。方案（1）嚴格意義上說已經(jīng)不屬于認知無線電的范疇；方案（2）雖然可以避免干擾授權(quán)用戶，但是需要獨占公共控制信道，并且可能會和其他使用免執(zhí)照頻段的設(shè)備產(chǎn)生串擾；方案（3）雖然解決了對授權(quán)用戶的干擾以及來自其他設(shè)備的串擾的問題，但是與數(shù)據(jù)通信完全不同的公共控制通信方式又額外增加了系統(tǒng)的成本和復雜度。

當前在這一領(lǐng)域的研究主要側(cè)重點在減少認知無線網(wǎng)絡(luò)用戶對公共控制信道的依賴性上。參考文獻[5]、[6]、[7]分別提出了不同的能量檢測協(xié)同算法，以在滿足認知用戶基本性能需要的前提下盡可能地降低對控制信道的依賴。目前對公共控制信道建立方法自身的研究還開展的比較少。雖然參考文獻[8]提出了Ad Hoc模式下CRN基于博弈論的公共控制信道的信道建立算法，但是該算法和其他的公共控制信道建立算法類似，有計算復雜度高以及在認知用戶節(jié)點 CU（Cognitive User）增加時性能下降較為嚴重等缺點，缺乏實際應(yīng)用價值。

1 CRN公共控制信道的動態(tài)建立方法

針對當前的研究現(xiàn)狀，本文提出了一種簡單快速的CRN建立公共控制信道的方法。在CRN中，公共控制信道也應(yīng)該是具有認知特性，不能干擾到PU的正常使用，因此，公共控制信道的建立是動態(tài)的。

本文所設(shè)置的研究場景為：CRN為基站BS（Base Station）集中式控制下的點對點通信網(wǎng)絡(luò)。即由基站負責覆蓋區(qū)域內(nèi)認知信道的檢測，并在收到來自認知節(jié)點的通信請求后，向收發(fā)雙方認知節(jié)點下發(fā)通信許可和最優(yōu)通信頻譜。假設(shè)所有的CRN節(jié)點（包括BS）均可以與其他節(jié)點建立通信，忽略隱終端和暴露終端問題，并假設(shè)所有的干擾均來自授權(quán)用戶，忽略空間噪聲和其他干擾，如圖1所示。而公共控制信道就是連接基站和認知節(jié)點的紐帶。

圖1 認知無線網(wǎng)路模型

本文的公共控制信道建立的整體思路是：根據(jù)頻譜感知獲得的先驗知識將所有的認知信道按照其是否適合作為公共控制信道的程度進行排序，確定預設(shè)所有信道被選為公共控制信道的優(yōu)先級，節(jié)點和基站再根據(jù)此優(yōu)先級完成公共控制信道的建立。排序的依據(jù)是認知信道在一個時間周期內(nèi)的空閑時間的長短，由此確定這些認知信道作為CRN的公共控制信道的適合程度。顯然，在一個周期內(nèi)，PU活躍時間越短的信道在CRN中就越穩(wěn)定，也就越適合作為公共控制信道。按照適合程度將CRN中的認知信道進行排列，并優(yōu)先使用最適合的信道作為公共控制信道。根據(jù)這個方法可以將按照優(yōu)先級排列好的認知信道記作 C1，C2……Cn，并通過程序的形式寫入CRN的基站和各個節(jié)點。

公共控制信道的建立過程如下：

（1）CRN的BS在默認的最高優(yōu)先級公共控制信道等待來自CU的接入請求，并同時對該信道進行能量檢測。

（2）BS一旦檢測到最高優(yōu)先級信道被PU使用，則自動切換至次高優(yōu)先級公共控制信道等待，以此類推。

（3）當BS在非最高優(yōu)先級公共控制信道等待時，還將對高于該信道優(yōu)先級的其他信道進行監(jiān)聽，一旦監(jiān)聽到更高優(yōu)先級的信道空閑，則自動切換至優(yōu)先級較高的信道作為公共控制信道等待，公共控制信道的動態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

圖2 BS的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

（4）CU在試圖同其他節(jié)點通信之前，首先要通過控制信道同BS取得聯(lián)系。在這個過程中，CU將首先對最高優(yōu)先級控制信道進行偵聽，如果偵聽到信道為空閑，則將在最高優(yōu)先級控制信道上同BS取得聯(lián)系，控制信道建立成功。

（5）如果偵聽結(jié)果為信道忙碌或者通信失敗，則CU認為基站忙碌或者最優(yōu)通信信道被PU占用，如果檢測到基站忙碌，則CU等待一段時間；如果是信道被PU占用，則CU自動切換至次優(yōu)通信信道與 BS聯(lián)系，以此類推直至控制信道建立成功或者所有控制信道均不可用，其工作流程圖如圖3所示。

圖3 CU的工作流程圖

（6）作為接收方的CU，將在所有被預設(shè)為可能作為控制信道的信道上進行監(jiān)聽，以便接收來自BS的控制信息。

2 系統(tǒng)仿真和信道選擇優(yōu)化

OPNET是一款網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，相比于其他的仿真軟件，其特點在于能夠仿真網(wǎng)絡(luò)通信的具體過程，并能夠從網(wǎng)絡(luò)整體角度和節(jié)點角度進行網(wǎng)絡(luò)級的行為仿真和數(shù)據(jù)采集[9]。本文在OPNET中對提出的公共控制信道建立方法進行了建模和仿真。

設(shè)置仿真場景為自由空間，所有的CU、PU和BS均在其他節(jié)點的通信范圍之內(nèi)。仿真環(huán)境將主要包括以下幾個參數(shù)：（1）可用認知信道數(shù)目 M；（2）預設(shè)控制信道數(shù)目 N；（3）CU 數(shù)目 P；（4）CU 的工作方式；（5）PU 的活躍時間。

首先將所有的認知信道按優(yōu)先級排序，并記為C1，C2…CM，這將作為CU的已知預設(shè)條件；其次，CU將在每完成一次通信后等待一段時間，然后發(fā)起新一次的通信，等待時間為 0～60 s范圍內(nèi)的隨機數(shù)；此外，為了讓CU能夠完整經(jīng)歷圖3的工作流程，令仿真時長為105s，不同認知信道（C1，C2…CM）的PU的活躍時間為：

其中，Cn=1代表PU正在使用認知信道Cn（1≤n≤M），Cn=0表示認知信道Cn處于空閑狀態(tài)，可以被CU使用。

本文將從通信成功率和公共信道建立時間兩個指標去評價公共控制信道建立方法的通信質(zhì)量。通信成功率就是CU發(fā)起的所有通信請求中最終成功建立公共控制信道的請求次數(shù)的比例。公共信道建立時間則指的是從CU發(fā)起通信請求到公共控制信道成功建立這一過程所需要花費的時間。

根據(jù)上述環(huán)境參數(shù)，令M=10，即仿真環(huán)境中有10個可用認知信道。圖4和圖5分別給出了在CU數(shù)目P不同的情況下，平均公共信道建立時間（lavg）和平均通信成功率（Savg）隨預設(shè)控制信道數(shù)目N的變化。

從圖中可以總結(jié)出，預設(shè)控制信道數(shù)目N越大，lavg會有所增加。這是因為CU在較高優(yōu)先級的預設(shè)控制信道通信失敗后就會轉(zhuǎn)而使用較低優(yōu)先級的預設(shè)控制信道，從而消耗了更多的時間。同理，N越大，所有預設(shè)控制信道均不可用的可能性就越小，Savg就越大。但是與通信延時不同的是，這個增加的幅度會隨著認知信道數(shù)目的增加而呈現(xiàn)出較為明顯的邊際效應(yīng)遞減趨勢。

圖4 平均公共信道建立時間隨預設(shè)控制信道數(shù)目的變化

圖5 平均通信成功率隨預設(shè)控制信道數(shù)目的變化

而隨著CU數(shù)目P的增加，CU之間產(chǎn)生沖突的幾率也就越大，因此，整體的通信質(zhì)量會有所下降，但是趨勢不會變化。

圖4和圖5表明，魚和熊掌不可兼得，如果想要獲得更高的通信成功率，就必須付出增加公共信道建立時間的代價。那么如何才能夠做到對兩者的平衡，并選擇一個最適合的預設(shè)控制信道數(shù)目N呢？下面通過建立一個性能評價函數(shù)來確定在不同的要求下預設(shè)控制信道數(shù)目對系統(tǒng)的影響。

首先對lavg和Savg相對于N的變化函數(shù)進行歸一化。令：

作為性能評價函數(shù)，其返回結(jié)果應(yīng)符合人們的使用習慣，即數(shù)值越大代表性能越好，且返回結(jié)果的趨勢應(yīng)符合原有參數(shù)。經(jīng)過G′n歸一化后的數(shù)值很好地符合了性能評價函數(shù)的條件，可以直接使用；而 H′n經(jīng)過歸一化處理后的函數(shù)顯然不滿足這一點。因此，需要將反轉(zhuǎn)之后重新歸一化，即：

這樣就可以在不改變原有趨勢的情況下反映性能的變化。

為了區(qū)分兩者的重要程度，在這里引進權(quán)值A(chǔ)，其取值范圍為[0，1]。若Savg在性能函數(shù)中的重要性為 A，則lavg的重要性就為1-A。

因此性能函數(shù)Un可用式（4）表示：

令 M=10，P=2，則根據(jù) A的取值不同，相應(yīng)的性能函數(shù)Un如圖6所示。

圖6 A取值不同時的性能函數(shù)簇

令A=0.5，即通信延時和通信成功率對系統(tǒng)設(shè)計的重要性是相同的。由圖6可知，認知信道數(shù)目為4時，性能函數(shù)達到最大值。也就是說，按照優(yōu)先級取前4個認知信道作為預設(shè)控制信道，可以使該公共控制信道建立方法的性能最優(yōu)化。

可知，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)的預設(shè)控制信道數(shù)目N*滿足：

根據(jù)以上方法，令 P=2，A=0.5，則根據(jù)認知信道數(shù)目M的不同，最優(yōu)的預設(shè)控制信道數(shù)目N*的取值變化如圖7所示。

圖7 不同M取值下的最優(yōu)預設(shè)控制信道數(shù)目N*

可見，最優(yōu)控制信道數(shù)目N*并非是一個一成不變的值，而是根據(jù)可用認知信道數(shù)目M的不同有著不同的取值。在CRN中，公共控制信道是保證整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞。本文給出了一種不依賴于專有控制信道、免許可頻段和其他調(diào)制方式的CRN的動態(tài)的公共控制信道建立方法，并給出了最優(yōu)化方案的設(shè)計、計算方法和結(jié)果，對于未來的CRN理論完善和網(wǎng)絡(luò)的建立有一定的指導意義。由于時間和作者能力的限制，本文未對CU間的通信沖突導致通信質(zhì)量下降的問題進行深層次的研究和改進。這將作為未來工作的改進方向。

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