基于信標信息廣播的會合算法仿真

華夏杰

(中國計量大學，浙江 杭州 310018)

基于信標信息廣播的會合算法仿真

華夏杰

(中國計量大學，浙江 杭州 310018)

會合是基于認知無線電網絡的一個基礎核心問題。近年來，會合算法一直是研究的重點方向。提出了一種基于信標信息廣播的會合算法，通過建模仿真，對會合時間特性進行了統計分析，從統計結果得出：當公共信道數遠小于可用信道數時，基于信標信息廣播的會合算法遠優于增強型跳轉-停止(EJS)算法；當公共信道數與可用信道數基本相等時，EJS會合算法優于基于信標信息廣播的會合算法；當公共信道數與可用信道數之比接近1/2時，2種算法的會合性能基本接近的結論。因此，在公共信道數稀少的惡劣電磁環境下，基于信標信息廣播的會合算法具有優良的會合能力，對今后的算法研究可提供有意義的啟示。

認知無線電；會合；廣播；節拍；時隙

1 概 述

隨著認知無線電研究和應用的發展，認知無線電的內涵和外延也在不斷擴展，基于頻譜感知的認知無線電網絡(CRN)是一種新型通訊網絡，該網絡可以動態、靈活、智能地使用頻譜資源，通過對無線通信網絡環境的交互感知進行智能規劃、決策和調度，自組織地實現組網并適應于具體無線通信環境，有效優化網絡資源的管理和使用狀況，從而可以提高頻譜資源的利用效率，更能適應復雜動態電磁環境[1]。它與其它通訊網絡最大的不同之處在于：網絡中次用戶對于作為傳輸媒介的無線頻譜使用不是固定的，而是伺機接入的。

CRN本質上是一種多信道無線網絡，網絡中的頻譜可以劃分為獨立的、不重疊的信道，次用戶通過感知“頻譜空穴”，在處于空閑狀態的信道(次用戶的可用信道)上進行通訊，2個或多個次用戶需要在相同的可用信道上相遇且建立彼此間的通訊連接，使得接下來的信息交互、頻譜管理、數據通信等可以進行。2個或者2個以上用戶在相同可用信道上相遇并建立通訊鏈路的過程被稱作“會合”。會合是CRN組網媒體訪問控制(MAC)協議需要解決的首要問題，因為收發雙方如果無法找到彼此并在相同信道上進行通訊，那么接下來的工作便無從談起。因此，會合問題是認知無線電網絡的一個基礎核心問題。由于在CRN中，次用戶在會合前無法獲知彼此的存在，同時主用戶的通訊活動使得次用戶的可用信道會隨著時間、空間的變化而不斷地發生變化，并且次用戶相互之間的變化并不一樣，在頻域和空域上呈現異構特性[2-3]，這就使得會合面臨許多待解決的難題。

以下面的假設條件對會合問題進行研究：

(1) 在某場景下有公共無線通信信道N條。

(2)A、B為該場景下的獨立的2個無線通信節點，不受其他節點控制且均沒有精確時鐘同步功能。

(3)A、B均能夠對自身可用信道(空閑信道)進行感知，感知周期分別為TA和TB，且A、B感知到的可用信道集合可能不同。

(4) 由于場景中存在動態變化因素，A、B在各自前后2個感知周期內所感知到的自身可用信道集可能不同。但是，A、B之間總能找到至少1條共同信道。

(5)A、B均能夠在已感知的自身可用信道集合中自由選擇某一條信道進行某一項信號的收發操作。這些操作包括感知當前可用信道、發射自己的信標信號、接收其他節點的信標信號。

(6)A、B都以節拍為時間單位進行工作，即整個時間被分割成相同長度的時間節拍，每個節拍內只完成一項操作(如發射信標、感知環境或者靜默偵聽)，一項操作可以包含多個節拍。

(7) 當滿足下列2個條件時，可以認為A、B成功實現了會合：

(1)A、B選擇了相同的信道；

(2) 其中一個節點感知到了另一個節點的信標信號。

近年來，用于解決會合問題的會合策略一直是研究的熱點，相關研究者提出了大量的會合策略，如Z.Lin,H.Liu等學者提出了具有優良性能和環境適應性的會合算法——增強型跳轉-停止(EJS)算法。其基本原理為：周期序列依次由一個“跳模式”和一個“停模式”組成。在跳模式下，用戶在可用信道集上不斷跳轉；在停模式下，用戶等待在一個特定信道上不進行跳轉。用戶可用信道數為M，用戶選擇一個初始信道c1和隨機選擇跳轉步長r，P為大于M的最小素數。跳模式持續3P個時隙，停模式持續P個時隙。用戶產生長度為4P的周期序列。跳轉序列由下式決定：

(1)

式中：CN為該節點在第tp個時隙所跳轉到的可用信道編號；c1為節點任意選取的初始信道編號，c1∈[1，P]；r為任意選取的跳轉步長，r∈[1，M]，每完成一個周期序列，r=r+1。

當節點跳轉的信道編號大于可用信道集時，由下式修正：

CN=(CN-1)modP，CN>M

(2)

目前，對在異步模式下會合的研究大多是通過改進算法來保證兩節點會合，但對節點發射的信標信息未加以利用。本文則提出了一種基于信標信息廣播的會合算法，即通過向每個可用信道發射信標信息的方法來提高會合概率。每個節點發射信標信號分為群發模式和專發模式2種，群發模式即是對每個可用信道均發本節點的信標信號，專發模式則在某個信道上發射本節點的信標信號。

下面通過建立仿真模型，對基于信息廣播的會合算法和EJS會合算法的平均會合時間和最大會合時間進行對比分析。

2 模型假設及符號說明

2.1 模型假設

2.1.1 基礎條件假設

假設A、B節點分別在N個信道中感知MA、MB個可用信道，這2組可用信道有MAB個公共信道。

每個節點對各自的可用信道集進行編號，使1～MA(或MB)個信道分別與其在N條公共無線通信信道中的序號一一對應。

在檢測信標信號時，不考慮其響應時間Δtp，即Δtp=0。

衡量會合算法最重要的度量是會合時間，即節點由開始嘗試會合到實現會合所花費的時間。由于會合過程以節拍為最小時間長度，因此，設定值為kjp的會合時間計數器，假設B節點滯后A節點kdy個節拍開始進行第1次嘗試會合，則在該時刻，kjp=1，然后每經過一個節拍，計數器kjp值累加1，直到實現會合。

2.1.2 基于信標信息廣播的會合算法模型假設

每個節點完成感知可用信道集后，轉入群發模式。在群發模式下，每個節點首先選擇各自編號為1的可用信道作為當前的接收信道，先接收ka(或kb)個節拍時間，若未接收到對方節點的信標信息，則按編號依次在每個可用信道發射信標信息，完成在全部可用信道的信標信息發射后，再轉入接收模式，接收2×MA(或MB)個節拍的時間。若仍未收到對方節點的信標信號，則按可用信道的編號順序轉入下一個信道，繼續以上過程。

在群發模式下，若有一個節點在當前信道收到了另一節點的信標信息，則可確定該信道為公共信道，該節點便可轉入專用模式。

在專用模式下，保持當前接收信道不變，節點按每發射1個節拍信標信息，接收3個節拍的方式工作。這時，若仍在群發模式的另一節點接收到專用模式下發射的信標信號，即可完成會合。

2.1.3 EJS會合算法模型假設

A節點感知到可用信道集后，計算出大于MA的最小素數PA，再按可用信道編號，隨機選取初始信道ca1、跳轉步長ra，并按公式計算出可用信道編號，根據該編號，確定當前的工作信道。

B節點與A節點進行相同的操作。

為仿真A、B兩節點均處于相同的收發節拍而無法會合，取1個時隙，由8個節拍組成節拍序列，分3種工作節拍序列，分別為：

(1) 接收1節拍，發射1節拍，接收2節拍，發射1節拍，接收3節拍；

(2) 接收1節拍，發射1節拍，接收3節拍，發射1節拍，接收2節拍；

(3) 接收1節拍，發射1節拍，接收1節拍，發射1節拍，接收4節拍。

在每個時隙的開始，每個節點隨機選取其中一種工作節拍序列，每個節點隨時隙跳轉的信道編號由公式(1)、(2)決定。

當A節點收到B節點的信標信號或當B節點收到A節點的信標信號時，即可完成會合。

2.2 符號說明

ATTR：平均會合時間，指在不同情況下(如A、B節點開始嘗試會合時間的延時不同、算法隨機的初始值不同等)多次完成會合所花費時間的均值。

MTTR：最大會合時間，指在不同情況下(如A、B節點開始嘗試會合時間的延時不同、算法隨機的初始值不同等)多次完成會合所花費時間的最大值。

JTTR：會合時間標準差，指在不同情況下(如A、B節點開始嘗試會合時間的延時不同、算法隨機的初始值不同等)多次完成會合所花費時間與平均會合時間的標準差。

3 模型的建立與分析

3.1 模型建立

3.1.1 基于信標信息廣播的會合算法模型

用MATLAB對基于信息廣播的會合算法的一次獨立運算的會合仿真過程模型描述如下：

步驟1：初始化仿真參數，根據A、B節點的可用信道數MA、MB及公共信道數MAB，產生A、B節點的可用信道集合CHA、CHB。

步驟2：B節點開始進行第1次嘗試的會合時間為滯后A節點的節拍數kdy(kdy為隨機節拍數)，確定A、B兩節點的當前接收信道，計算出A節點當前節拍的狀態(B節點當前節拍為接收狀態)，并設計數器kjp=1。

步驟3：嘗試會合，如果節點的當前節拍狀態處于接收狀態，則測試能否收到對方節點的信標信號；若接收到，則該節點轉入專用模式，執行步驟5；若雙方均未接收到對方的信標信號，則計數器kjp值累加1。

步驟4：更新數據，若A、B兩節點的時隙發生變化，則更新當前接收信道和當前節拍狀態；否則，只更新當前節拍狀態，重復步驟3。

步驟5：轉入專用模式的節點，保持接收信道不變，按每發射1個節拍信標信息，接收3個節拍的方式工作。這時，若仍在群發模式的另一節點接收到專用模式下發射的信標信號，即可完成會合，返回kjp的數值。

通過上述步驟建立的仿真模型，取MA=MB=10，MAB=1，其公共信道為信道10，則執行某次會合的仿真過程如圖1所示。從圖1中可以看出，A節點在第196個節拍時收到了B節點的信標信號，隨即進入專用模式，直到B節點跳轉至信道10，完成會合。

圖1 基于信息廣播會合算法的會合仿真過程

3.1.2 基于EJS會合算法的模型

用MATLAB對基于EJS會合算法的一次獨立運算的會合仿真過程模型描述如下：

步驟1：初始化仿真參數，根據A、B節點的可用信道數MA、MB及公共信道數MAB，產生A、B節點的可用信道集合CHA、CHB。

步驟2：B節點開始進行第1次嘗試的會合時間為滯后A節點的節拍數kdy，每個節點通過隨機產生的初始信道編號和跳轉步長計算出當前工作信道。

步驟3：每個節點隨機選取1組節拍序列，計算出各自的當前節拍狀態，并置計數器kjp=1。

步驟4：嘗試會合，如果節點當前節拍狀態處于接收狀態，則測試能否收到對方節點的信標信號，若接收到，則完成會合，并返回kjp的數值。

步驟5：更新數據，若雙方均未接收到對方的信標信號，則計數器kjp值累加1。若A、B兩節點的時隙發生變化，則更新當前接收信道和當前節拍狀態；否則，只更新當前節拍狀態，重復步驟4。

通過上述步驟建立的仿真模型，取MA=MB=10，MAB=1，其公共信道為信道10，則執行某次會合的仿真過程如圖2所示。

圖2 基于EJS會合算法的仿真過程

3.2 模型分析

用MATLAB完成對基于信標信息廣播的會合算法和EJS會合算法進行建模后，通過統計實驗仿真A、B兩節點會合所用的時間，分析2種算法模型的平均會合時間(ATTR)、最大會合時間(MTTR)和會合時間標準差(JTTR)，實驗采用對會合所需要的節拍數進行統計的方法，每個統計實驗都進行10 000次獨立運算。

當公共信道數MAB=1時，取A、B兩節點的可用信道數分別為MA=MB=[10,20,30,40]，2種算法模型的會合時間統計見表1。

表1 公共信道數為1時，會合時間統計表

當公共信道數MAB=MA=MB時，取A、B兩節點的可用信道數分別為MA=MB=[10,20,30,40]，2種算法模型的會合時間統計見表2。

表2 公共信道等于可用信道數時，會合時間統計表

當公共信道數MAB=MA/2時，取A、B兩節點的可用信道數分別為MA=MB=[10,20,30,40,50]，2種算法模型的會合時間統計見表3。

表3 公共信道數為MA/2個時，會合時間統計表

從統計結果可以看出，當公共信道數遠小于可用信道數時，基于信標信息廣播的會合算法遠優于EJS會合算法；當公共信道數與可用信道數基本相等時，EJS會合算法優于基于信標信息廣播的會合算法；當公共信道數與可用信道數之比接近1/2時，2種算法的會合性能基本接近。

4 模型的評價與推廣

會合是基于該技術的認知無線電網絡的一個基礎核心問題。近年來，會合算法一直是研究的重點方向，本文提出的基于信標信息廣播的會合算法在公共信道數稀少的惡劣電磁環境下，具有優良的會合能力，對今后的算法研究可提供有意義的啟示。在實際使用中，可根據感知信道數量、感知信道的質量進行分組策略，以進一步減少會合時間。

[1] HOVEN N.On the feasibility of cognitive radio[D].Berkeley:University of California,2005.

[2] 劉權，趙光勝，王曉東，等.認知無線電網絡信道交匯研究綜述[J].軟件學報,2014,25(3):606-630.

[3] LIANG Y C,CHEN K C,LI G Y,et al.Cognitive radio networking and communications:an overview[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(7):3386-3407.

[4] 左明智.認知無線電網絡中會合算法的仿真與改進[D].廣東：廣東技術師范學院,2015.

SimulationofRendezvousAlgorithmBasedonBeaconInformationBroadcasting

HUA Xia-jie

(China Jiliang University,Hangzhou 310018，China)

The rendezvous is a fundamental core issue of the cognitive radio network.In recent years,the rendezvous algorithm has always been the important direction of research.This article proposes a rendezvous algorithm based on the beacon information broadcast，analyzes the characteristics of the rendezvous time statistically through the modeling and simulation.That can be obtained from the statistical results:when the number of common channels is much smaller than the number of available channels,the convergence algorithm based on beacon information broadcasting is far superior to the enhanced jump-stay (EJS) convergence algorithm;when the number of common channels is equal to the number of available channels,the EJS rendezvous algorithm is superior to the rendezvous algorithm based on beacon broadcast;when the ratio of the number of common channels and the number of available channels is close to 1/2,the rendezvous performance of two algorithms is almost equal.Therefore,in the harsh electromagnetic environment of few public channels,the rendezvous algorithm based on beacon information broadcasting has excellent rendezvous ability and can provide meaningful enlightenment for the future algorithm research.

cognitive radio;rendezvous;broadcasting;beat;time slot

TN915

A

CN32-1413(2017)05-0065-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.014

2017-05-16