一種認知無線網絡中跨層優化的頻譜接入算法

張羽

摘 要：針對認知無線電網絡中認知用戶的機會頻譜接入問題，本文提出了一種新的分布式跨層頻譜接入的算法。此算法針對多認知用戶貪心算法自私性的缺點，引入了分布式協作接入的方法，并給出了詳細的算法流程和MAC層設計細節。仿真結果表明，本文提出的方案在系統吞吐量和頻譜利用率的性能上具有良好的性能和可行性。

關鍵詞：認知無線電網絡；頻譜接入；可觀測馬爾科夫決策過程；MAC

1 引言

隨著各種通信業務的不斷增加，無線頻譜資源緊缺已成為日益突出的問題，另一方面無線頻譜源的實際使用效率卻比較低。認知無線電CR（Cognitive Radio）技術被認為是解決這一矛盾的有效方案，頻譜接入技術是CR的關鍵技術之一。

文獻[1]中，引入了預測無中心控制行為的馬爾可夫鏈模型頻譜接入模型。文獻[2]提出了一個框架來最大化POMDP的性能，并使用貪心的方法來降低其復雜性。但是，自私的貪心算法在網絡引起頻繁碰撞，降低頻譜接入效率。文獻[3]提出一個三維馬爾可夫鏈分析頻譜接入方案，改善阻塞概率和網絡吞吐量。但是，作者沒有考慮碰撞概率的存在和認知網絡中的檢測錯誤。文獻[4]提出了一個跨層自適應的頻譜接入方案，以及文獻[5]提出了新的頻譜接入方案。然而，這些算法[4][5]忽略了算法的復雜性和認知網絡中存在的檢測錯誤。文獻[6]考慮了主用戶的影響，對馬爾可夫鏈模型進行了修改，增加了模型的魯棒性。考慮到網絡中頻譜接入的安全性，文獻[7]提出了基于博弈論的馬爾科頻譜接入方案。

通過以上的分析，本文考慮存在的用戶碰撞和感知錯誤的情況下，提出了分布式路由和動態頻譜接入的跨層設計方案來避免頻繁碰撞勢在必行。

2 分布式路由和協作頻譜接入方案

為簡單起見，我們假設在網絡中有n個相互的認知節點。有兩種類型的用戶，即：主用戶（PUs），有權在任何時間占用頻譜；次用戶（SUs），可以訪問頻譜，并在沒有對主用戶造成一定干擾的情況下，可以接入頻譜。考慮一個頻段中包括N個信道，每個可用的頻譜帶寬為B。其中，有控制信道（CCC）和數據信道通道用于數據通信。信息到達過程的行為被假定為泊松過程和信息到達速率為λ。基于貪心算法的POMDP模型的介紹具體可參考文獻[2]，本文就在此就不在列舉。

為簡單起見，我們假設每個節點配備兩個收發器，一個是公共信道傳輸控制器，另一個是一個可重構的收發器。在認知無線電網絡中，由于貪心算法的自私性質導致多個SUs頻繁碰撞，會降低系統的頻譜效率性能，所以我們提出一種改進的算法，命名為分布式協作方案的MAC協議設計（DCCMAC），為認知用戶提供可以進行頻譜信息的交換平臺。

DCCMAC方案如圖1所示，3路握手方式是通過發送請求（RTS）、清零請求（CTS）和數據傳輸預定（DTS）幀交換進行的。與IEEE802.11的RTS和CTS兩路握手類似，反向節點在通用控制通道（CCC）競爭頻譜接入通路。實際上DCCMAC的3路握手協議與IEEE802.11使用的RTS和CTS兩路握手不同，所有控制包有不同的結構和功能。這里，我們強化RTS/CTS包并引進RTR包來通告頻譜預留，并轉達此消息到相鄰節點，每個節點通過監聽RTS/CTS/DTS數據包做出自適應決策，圖2展示了這一過程。

從圖1，我們可以看到，發射機使用RTS數據包宣布接收機。一旦收到RTS包，接收機就在短暫的幀間間距（SIFS）時通過CTS包進行響應，并調整收發機到RTS數據包中指定的頻率傳輸數據。選擇中繼在收到RTS和CTS后將會發出一個RTR數據包，RTR包用于通告鄰居節點頻譜預留和傳輸功率，并通知接收機中繼的現狀。一旦RTS/CTS，DTS成功進行交互，發送機、中繼和接收機都將調整頻率到選擇的頻譜部分。在傳輸之前，感知選擇的頻譜， 如果頻譜空閑，發送機不需要延遲就開始數據傳輸。注意有可能發送機、中繼和接收機在數據傳輸前發現選擇的頻譜繁忙，這可能是由于主

用戶出現或者由于丟失控制包引起的沖突所致。在這種情況下，節點放棄選擇的頻譜，并回到控制通道要求進一步協商。在RTS/CTS/DTS交換期間，如果發送機選擇的頻譜不能夠被全部使用，接收機正好感知到主用戶的存在，接收機不會響應發送CTS。同樣，對于中繼節點也是如此。當等待CTS計時器超時并且達到RTS重傳界限時，發送機也會回到控制通道重新進行協商。

這種方法避免SUs避免頻譜接入的頻繁碰撞，保證了認知用戶頻譜接入的公平性。

3 仿真結果與分析

圖2顯示了在考慮感知錯誤與最大碰撞概率Pc，max所允許的情況下，對本文提出的算法的性能與其它方案進行了比較。從圖2（a）所示，隨著允許的碰撞概率Pc增大，所有方案的性能都有所提高。因為當Pc變大，虛警概率Pf變小，相應的認知用戶的吞吐量就會增加，同時也導致了更多的SUs之間的沖突。從圖2（b），由于貪心算法的自私性使得SUs頻繁碰撞，所以整體的頻譜效率的隨著Pc增大而減小。然而，我們的分布式合作頻譜接入算法可以保持整個頻譜效率在一個較為理想的范圍，是因為SUs之間相互知道的頻譜接入的預留信息，這樣SUs避免接入相同的頻段，可以減少網絡中頻繁的碰撞。

4 結論

本文通過引入分布式協調團體和協作接入的概念，研究了基于POMDP的分布式跨層頻譜接入算法，使認知用戶間可以互相交換信息。根據POMDP模型的特點，給出了具體的算法流程圖和MAC層設計細節。通過仿真對比分布式協作接入算法和貪心接入算法，分布式協作接入算法在克服了貪心接入算法的自私性不足后，在系統吞吐量和頻譜利用率兩項關鍵的性能指標上，相比貪心接入算法有了明顯的提升。

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