一種適用于698～806MHz頻段的認知MAC協議

江 帆， 張曉燕, 關 璐， 盧光躍

(西安郵電大學 通信與信息工程學院 ，陜西 西安 710121)

一種適用于698～806MHz頻段的認知MAC協議

江 帆， 張曉燕, 關 璐， 盧光躍

(西安郵電大學 通信與信息工程學院 ，陜西 西安 710121)

針對廣播系統與認知系統共存場景下的認知用戶接入問題，提出一種適用于698～806MHz頻段的認知MAC協議。該協議以分布式的方式對授權信道偵聽，認知用戶之間以協調的方式共享信道偵聽結果，并采用基于競爭的方式接入空閑授權信道。利用蒙特卡洛仿真方法對所提出的協議進行了仿真。仿真結果表明，與傳統MAC協議相比，該協議能夠有效提高授權頻段的頻譜利用率，提升系統性能。

認知無線網絡;動態頻譜接入;689～806MHz;媒體接入控制

未來無線網絡需要滿足用戶不斷增長的高速和多樣化的數據需求。以IMT-Advanced系統為例，標準化組織建議其系統需求為：下行峰值速率達1 Gbps，上行峰值速率達500 Mbps，帶寬為100 MHz[1]。如此大的帶寬需求使得頻譜的有限性與頻譜的海量需求之間的矛盾越來越突出。

為了解決頻譜資源匱乏，提高頻譜的利用率，認知無線電的概念被提出[2]。在基于認知無線電的認知無線網絡中，具有認知功能的無線設備可以機會式地工作在已授權的頻帶內，這些用戶稱為認知用戶(Secondary User ,SU)；同時，認知用戶接入授權頻段不能對授權頻段內的主用戶(Primary user)的通信造成干擾。認知用戶通過在空域、時域、頻域中對授權頻段進行感知，并發現其中可被利用的頻譜資源，將收發機的頻率調整到已授權的空閑頻段通信。因而，認知無線網絡中認知用戶的頻譜接入屬于動態頻譜接入方式。

盡管動態頻譜接入的原理較簡單，但要設計高效的媒體接入協議(Medium Access Control , MAC)，則面臨較大的挑戰。MAC協議是一種實現頻譜資源管理的重要技術，其設計對于認知無線網絡的性能發揮起到舉足輕重的作用[3]。在相關的研究中，Shashi[4]提出了一種無線網狀網與Ad Hoc網絡中的認知MAC協議，研究了如何在多信道場景下的對授權頻譜感知并接入的問題。Timmers[5]提出了多跳場景下的基于節能的分布式多信道MAC協議，通過兩種不同的授權信道檢測機制來有效的減小認知用戶的能量消耗，并獲得授權頻譜的接入機會。在認知無線網絡中，由于授權頻譜的信道狀態不斷發生變化，因此要求MAC協議必須能結合授權頻譜的使用狀況，及時感知空閑頻譜機會，動態接入空閑頻譜。

本文首先對于目前所研究的認知無線網絡中的媒體接入協議進行概況總結，結合某地區698～806 MHz的頻段占用度測試數據，提出一種適用于698～806 MHz的認知MAC協議。

1 媒體接入控制協議概述

認知無線網絡中MAC協議[6]如圖1所示，根據協議的復雜度、協議架構、數據傳輸及信令交互方式等因素的不同，認知無線網絡中的MAC協議可以分為兩大類：基于直接接入的MAC協議(Direct Access Based, DAB)和基于動態頻譜分配的MAC協議(Dynamic Spectrum Allocation, DSA)。在DAB協議中，為了保證單一收發節點對的最優資源配置，無線頻譜的接入和分配都是基于單節點來進行的；與之相反，為了保證網絡的整體性能，DSA則采用不同優化算法來分配整個網絡的頻譜資源，從而達到網絡整體的資源優化配置。

圖1 認知無線網絡中的MAC協議

2 一種新的認知MAC協議架構

2.1 某地區698～806MHz頻段頻譜占用度

圖2分別給出了不同的測試時間段內，某地區698～806 MHz頻段的頻譜占用度情況。在我國，698～806 MHz頻段是廣播電視系統所分配的頻段，主要應用有模擬和數字電視與廣播[7]。從圖2中可以看出同一測量地點不同時間內的授權頻譜占用度變化差異較大，特別是在800 MHz左右頻段，在早上9:00-10:00頻譜的占用度遠低于10%，而在下午14:00-15:00頻譜的占用度卻高達20%。

參照圖1，由于698～806 MHz頻譜占用度的動態特性，所需的MAC協議需要實時的偵聽頻譜的占用情況，并根據當前的頻譜占用度確定每時隙的接入策略。目前已有的MAC協議中的DSA雖然是基于動態頻譜分配策略，但是無法保證MAC協議的實時接入特性，因而無法直接應用于該頻段，需要對其加以改進，設計出合適的MAC協議從而保證698～806 MHz頻段的認知用戶的動態接入。

(a) 9:00～10:00 (b) 14:00～15:00

圖2 某地區698～806MHz頻段頻譜占用度

2.2 MAC協議架構設計

結合圖2所示某地區698～806 MHz頻段的頻譜占用度特點，所研究的廣播系統及認知系統共存模型如圖3所示。考慮一個包含廣播發射塔及若干主用戶的廣播系統，廣播發射塔使用已分配的授權信道對主用戶發射廣播電視信號(主用戶包含：模擬/數字電視用戶、無線電收音機等)。在與廣播系統共存的認知系統中，包含一個認知基站及若干個認知用戶，認知用戶之間以自組織的方式通信，也可以接入認知基站。廣播系統和認知系統之間各自獨立的工作，無信息交互。每個認知用戶在接入授權信道前需要偵聽授權信道的占用情況，以不影響廣播系統的正常通信為前提，以機會式的方式接入未被使用的授權信道。一旦認知用戶檢測到廣播系統需要在授權信道發射信號，則認知用戶立即騰空信道從而保證廣播系統的正常工作。

圖3 廣播系統及認知系統共存模型

參照DSA協議動態頻譜接入的特點，并考慮到698～806 MHz頻段所需MAC協議的實時性特性，圖4描述了所提出的適用于698～806 MHz頻段的認知MAC協議的原理。假設該頻段可以劃分為N+1條授權信道，且不同信道上的數據傳輸彼此不干擾。定義其中一條信道作為公共控制信道(Common Control Channel ,CCC)，主要用來廣播授權信道的使用狀況。對于剩下的N條信道，每條信道的長度固定，并且其工作狀態可以模擬為占用/空閑狀態。其中占用狀態表示在某時隙該信道已被廣播系統使用，而空閑狀態則表示某時隙該信道空閑。假設若干個認知用戶以不干擾到廣播系統的正常通信為前提，在信道處于空閑狀態時以機會式的方式接入信道。另外，認知用戶與廣播系統之間是時間同步的。每個認知用戶裝配兩套收發器，其中一個工作在公共控制信道上，用于偵聽N條授權信道的使用狀況，另外一個收發器用于認知用戶的數據傳輸。

圖4 認知MAC協議原理

在每時隙開始時刻，通過工作在CCC上的收發器，認知用戶檢測N條信道的使用狀況。其中CCC劃分為兩部分：偵聽匯報階段和競爭階段。將偵聽匯報階段劃分為N個子時隙，與N條授權信道對應。

在偵聽匯報階段，每個認知用戶分布式的、在N條信道中隨機選擇一條信道i，i∈[1,N]進行偵聽。通過偵聽得到的授權信道占用情況，認知用戶記錄授權信道的信道偵聽結果(Channel sensing result, CSR)。CSR包含了第i條信道的狀態信息，它有以下兩種取值：(1) 在t時隙，信道i沒有被廣播系統占用, CSRi(t) = 0，i∈[1,N]; (2) 在t時隙，信道i被廣播系統占用, CSRi(t) =1，i∈[1,N]。因此，CSR的取值決定了某一時隙內，某一信道是否空閑。

在偵聽匯報階段的N個子時隙內，每個認知用戶根據信道偵聽結果在信道對應的子時隙內發送beacon短幀。beacon幀中包含CSR信息。認知用戶之間通過彼此交互beacon幀，可以獲得相鄰用戶的信道偵聽結果。如果相鄰用戶偵聽的是同一條信道，則在t+1時隙，它們隨機選擇偵聽其它的信道。如果N條授權信道已經全部被偵聽過，則通過用戶之間交互beacon幀，每個認知用戶都可以獲得整個廣播系統的信道使用狀況，從而確定出可接入的空閑信道的分布情況。但是，如果網絡中的認知用戶的數目較少，則有可能每個認知用戶只能獲得部分授權信道的狀況信息。

根據交互beacon幀所獲得的信息，在信道競爭期階段，認知用戶可以采用IEEE 802.11 DCF(Distribute Coordinate Function)機制[8]或者p堅持的載波偵聽多址(Carrier Sensing Multiple Access, CSMA)[9]等基于競爭的信道接入方式接入空閑的授權信道。競爭成功到授權信道的認知用戶在下一個時隙發送數據，競爭失敗的認知用戶則可以采用采取相應的退避算法(如二進制指數退避等)之后再次競爭信道。可以看出，所提出的MAC協議以分布式的方式對授權信道的偵聽，從而獲得授權所實時占用情況；認知用戶之間以協調的方式共享信道偵聽結果，采用動態的基于競爭的方式接入的空閑授權信道。與已有的MAC協議相比，能夠實時動態的接入未被使用的廣電頻段頻譜，提高授權頻段頻譜利用率，提升認知用戶的接入性能。

3 仿真結果

通過計算機仿真中的蒙特卡羅方法評估所提出MAC協議的性能。利用基于IEEE 802.11 DFC機制的競爭算法來分析所提出MAC協議的接入性能。根據DCF機制，認知通過發送RTS/CTS等控制信息來嘗試接入信道。在競爭期內，當且僅當只有一個認知發送控制信息競爭信道，則這個競爭期可以定義為成功。否則，定義這個競爭期為失敗(如果多余一個用戶發送控制信息，則控制信息將會碰撞)。在仿真評估中，所采用的參數如表1所示。

表1 仿真所采用參數

采用歸一化參數授權信道的利用率代表圖2中的授權信道的頻譜占用度，即授權信道利用率越高，頻譜占用度越高，反之亦然。

圖5給出了隨著認知用戶數目增加，認知用戶的飽和吞吐量。

圖5 認知用戶飽和吞吐量

可以看出，隨著認知用戶數目的增加，飽和吞吐量逐漸線性增加。當授權用戶的數目等于授權信道的數目時，吞吐量達到最大。此外，當認知用戶數目大于授權信道數目時，吞吐量保持恒定。這種現象可以解釋為：根據所提出的MAC協議，認知用戶需要通過競爭接入空閑的授權信道。盡管認知用戶數目逐漸增加，由于能夠接入的授權信道數目維持不變，因此認知用戶的飽和吞吐量維持不變。另外，授權信道的利用率越高(η越大)，飽和吞吐率越低。這是因為當授權用戶越頻繁使用授權信道時認知用戶能夠利用空閑信道的機會就越小，從而導致吞吐率的下降。

圖6描繪了認知用戶的接入時延與授權信道利用率之間的關系。其中分別考慮了授權用戶數等于8和20的兩種情況。可以看出，當授權信道利用率較低時即η取值較小時，認知用戶能夠有效的接入尚未使用的授權信道。另外，可以看出隨著信道利用率的逐漸增加，授權用戶開始越來越頻繁的使用信道，認知用戶能夠檢測到空閑信道的概率降低，從而使得能夠使用的空閑信道逐漸減少，因此導致接入時延的增加。當用戶數目多余信道數時(U=20)，可以觀察到接入時延的隨著信道利用率的變化更為明顯。

圖6 認知用戶接入時延

綜合圖5和圖6中的仿真結果可以看出，所提出的MAC協議能夠充分的利用授權頻段的偵聽結果，高效接入空閑授權頻譜，從而有效提升授權頻段的頻譜利用率。

4 結束語

提出了一種適用于698～806MHz頻段的認知MAC協議。綜合地考慮了廣播系統與認知系統共存場景下的認知用戶接入問題。仿真結果表明，所提出的MAC協議以分布式的方式對授權信道的偵聽，認知用戶之間能夠以協調的方式共享信道偵聽結果，并采用基于競爭的方式接入的空閑授權信道，從而提高授權頻段的頻譜利用率，提升系統的整體性能。

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[責任編輯:祝劍]

A cognitive radio based MAC protocol for Band 689～806 MHz

JIANG Fan, ZHANG Xiaoyan, GUAN Lu, LU Guangyue

(School of Communications and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121,China)

A cognitive radio based MAC protocol for 698～806MHz is presented in this paper to address user access issues in the environment where the broadcast system and cognitive radio system coexist. In this proposed scheme, the authorized bands is sensed in a distributed way, and the spectrum sensing information can be shared coordinately among secondary users. The unused authorized bands can be accessed by secondary users effectively in a competitive manner. Monte Carlo simulation method is used for scheme evaluation. Simulation results show that compared with the traditional algorithm, the proposed protocol can efficiently improve spectrum utilization rate in authorized frequency bands and therefore improve system performance.

cognitive radio network, dynamic spectrum sharing, 689～806 MHz, medium access control

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.002

2014-03-27

陜西省自然科學基礎研究計劃基金資助項目(2011JK8027)；陜西省教育廳科學研究計劃基金資助項目(2013JK1064)；工信部通信軟科學基金資助項目(2014R33)

江帆(1982-)，女，博士，副教授，從事下一代無線網絡關鍵技術研究。E-mail: jiangfan@xupt.edu.cn 張曉燕(1973-)，女，碩士，副教授，從事寬帶無線通信研究。E-mail: zxy@xupt.edu.cn

TN929.52

A

2095-6533(2014)05-0005-05