一种认知无线网络中跨层优化的频谱接入算法

张羽

摘 要：针对认知无线电网络中认知用户的机会频谱接入问题，本文提出了一种新的分布式跨层频谱接入的算法。此算法针对多认知用户贪心算法自私性的缺点，引入了分布式协作接入的方法，并给出了详细的算法流程和MAC层设计细节。仿真结果表明，本文提出的方案在系统吞吐量和频谱利用率的性能上具有良好的性能和可行性。

关键词：认知无线电网络；频谱接入；可观测马尔科夫决策过程；MAC

1 引言

随着各种通信业务的不断增加，无线频谱资源紧缺已成为日益突出的问题，另一方面无线频谱源的实际使用效率却比较低。认知无线电CR（Cognitive Radio）技术被认为是解决这一矛盾的有效方案，频谱接入技术是CR的关键技术之一。

文献[1]中，引入了预测无中心控制行为的马尔可夫链模型频谱接入模型。文献[2]提出了一个框架来最大化POMDP的性能，并使用贪心的方法来降低其复杂性。但是，自私的贪心算法在网络引起频繁碰撞，降低频谱接入效率。文献[3]提出一个三维马尔可夫链分析频谱接入方案，改善阻塞概率和网络吞吐量。但是，作者没有考虑碰撞概率的存在和认知网络中的检测错误。文献[4]提出了一个跨层自适应的频谱接入方案，以及文献[5]提出了新的频谱接入方案。然而，这些算法[4][5]忽略了算法的复杂性和认知网络中存在的检测错误。文献[6]考虑了主用户的影响，对马尔可夫链模型进行了修改，增加了模型的鲁棒性。考虑到网络中频谱接入的安全性，文献[7]提出了基于博弈论的马尔科频谱接入方案。

通过以上的分析，本文考虑存在的用户碰撞和感知错误的情况下，提出了分布式路由和动态频谱接入的跨层设计方案来避免频繁碰撞势在必行。

2 分布式路由和协作频谱接入方案

为简单起见，我们假设在网络中有n个相互的认知节点。有两种类型的用户，即：主用户（PUs），有权在任何时间占用频谱；次用户（SUs），可以访问频谱，并在没有对主用户造成一定干扰的情况下，可以接入频谱。考虑一个频段中包括N个信道，每个可用的频谱带宽为B。其中，有控制信道（CCC）和数据信道通道用于数据通信。信息到达过程的行为被假定为泊松过程和信息到达速率为λ。基于贪心算法的POMDP模型的介绍具体可参考文献[2]，本文就在此就不在列举。

为简单起见，我们假设每个节点配备两个收发器，一个是公共信道传输控制器，另一个是一个可重构的收发器。在认知无线电网络中，由于贪心算法的自私性质导致多个SUs频繁碰撞，会降低系统的频谱效率性能，所以我们提出一种改进的算法，命名为分布式协作方案的MAC协议设计（DCCMAC），为认知用户提供可以进行频谱信息的交换平台。

DCCMAC方案如图1所示，3路握手方式是通过发送请求（RTS）、清零请求（CTS）和数据传输预定（DTS）帧交换进行的。与IEEE802.11的RTS和CTS两路握手类似，反向节点在通用控制通道（CCC）竞争频谱接入通路。实际上DCCMAC的3路握手协议与IEEE802.11使用的RTS和CTS两路握手不同，所有控制包有不同的结构和功能。这里，我们强化RTS/CTS包并引进RTR包来通告频谱预留，并转达此消息到相邻节点，每个节点通过监听RTS/CTS/DTS数据包做出自适应决策，图2展示了这一过程。

从图1，我们可以看到，发射机使用RTS数据包宣布接收机。一旦收到RTS包，接收机就在短暂的帧间间距（SIFS）时通过CTS包进行响应，并调整收发机到RTS数据包中指定的频率传输数据。选择中继在收到RTS和CTS后将会发出一个RTR数据包，RTR包用于通告邻居节点频谱预留和传输功率，并通知接收机中继的现状。一旦RTS/CTS，DTS成功进行交互，发送机、中继和接收机都将调整频率到选择的频谱部分。在传输之前，感知选择的频谱， 如果频谱空闲，发送机不需要延迟就开始数据传输。注意有可能发送机、中继和接收机在数据传输前发现选择的频谱繁忙，这可能是由于主

用户出现或者由于丢失控制包引起的冲突所致。在这种情况下，节点放弃选择的频谱，并回到控制通道要求进一步协商。在RTS/CTS/DTS交换期间，如果发送机选择的频谱不能够被全部使用，接收机正好感知到主用户的存在，接收机不会响应发送CTS。同样，对于中继节点也是如此。当等待CTS计时器超时并且达到RTS重传界限时，发送机也会回到控制通道重新進行协商。

这种方法避免SUs避免频谱接入的频繁碰撞，保证了认知用户频谱接入的公平性。

3 仿真结果与分析

图2显示了在考虑感知错误与最大碰撞概率Pc，max所允许的情况下，对本文提出的算法的性能与其它方案进行了比较。从图2（a）所示，随着允许的碰撞概率Pc增大，所有方案的性能都有所提高。因为当Pc变大，虚警概率Pf变小，相应的认知用户的吞吐量就会增加，同时也导致了更多的SUs之间的冲突。从图2（b），由于贪心算法的自私性使得SUs频繁碰撞，所以整体的频谱效率的随着Pc增大而减小。然而，我们的分布式合作频谱接入算法可以保持整个频谱效率在一个较为理想的范围，是因为SUs之间相互知道的频谱接入的预留信息，这样SUs避免接入相同的频段，可以减少网络中频繁的碰撞。

4 结论

本文通过引入分布式协调团体和协作接入的概念，研究了基于POMDP的分布式跨层频谱接入算法，使认知用户间可以互相交换信息。根据POMDP模型的特点，给出了具体的算法流程图和MAC层设计细节。通过仿真对比分布式协作接入算法和贪心接入算法，分布式协作接入算法在克服了贪心接入算法的自私性不足后，在系统吞吐量和频谱利用率两项关键的性能指标上，相比贪心接入算法有了明显的提升。

[参考文献]

[1]Xing Y.， Chandramouli R.，Mangold S.，et al.Dynamic spectrum access in open spectrum wireless networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Commuications，2006，24（5）：626–637.

[2]Zhao Q.，Tong L.，Swami A.，et al.Decentralized cognitive MAC for opportunistic spectrum access in ad hoc networks： A POMDP framework[J].IEEE Journal on Selected Areas in Commuications，2007， 25（3）：589–600.

[3]Hassan A M，A.K Mohamed，L.Florian and M.T Andreas， “Increasing spectrum capacity for ad hoc networks using cognitive radios： an analytical model，”IEEE Commun. Letters，vol.13， pp.676–678，Sept.2009.

[4]D.Lei，T Melodia，S.N Batalama，J.D Matyjas，M.J Medley， “Cross-Layer routing and dynamic spectrum access in cognitive radio ad hoc networks，”IEEE Trans.on Vehicular Technology，vol.59，pp.1969–1979，May 2010.

[5]Y.Song，J.Xie，“ProSpect：A proactive spectrum handoff framework for cognitive radio ad hoc networks without common control channel，”IEEE Tran. on Mobile Computing，vol.11， pp.1127–1139，July 2012.

[6]Zhihui Ye，Qi Feng，Yicheng Shen."Scheme for opportunistic spectrum access in cognitive radio，" Communications，IET， vol.7，no.11，pp.1061，1069，July 23 2013.

[7]Changlong Chen，Min Song，ChunSheng Xin，Backens，J.."A game-theoretical anti-jamming scheme for cognitive radio networks，"Network，IEEE，vol.27，no.3，pp.22，27，May-June 2013.