基于信道分配矩阵的认知无线电网络容错频谱分配方案

刘俊霞，卜 宇，刘智勇

（1.新疆工程学院 电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐　830023；2.新疆工程学院 计算机工程系，新疆 乌鲁木齐　830023）

基于信道分配矩阵的认知无线电网络容错频谱分配方案

刘俊霞1，卜 宇2，刘智勇1

（1.新疆工程学院 电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐830023；2.新疆工程学院 计算机工程系，新疆 乌鲁木齐830023）

针对现有认知无线电（CR）网络中的频谱分配方案没有考虑到节点故障的问题，提出一种具有容错功能的基于信道分配矩阵的CR网络频谱分配方案。首先，二级用户（SU）通过协作感知构建可用信道列表并发送给簇头（CH）。然后，簇头构建可用信道矩阵，并通过信道分配算法构建信道分配矩阵（CAM），完成信道分配。当节点出现故障或恢复时，动态调整信道分配矩阵，以最少的重分配过程完成信道分配。实验结果表明，该方案能够很好的均衡网络负载，且具有较高的频谱利用率。

认知无线电网络；信道分配矩阵；频谱分配；容错；负载均衡

由于传统的无线网络采用的固定频谱分配政策的频谱利用率非常低，由此，研究人员提出了认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术［1］。其基本思想是：在不对占用频谱的主要用户（Primary User，PU）产生干扰的前提下，使二级用户（Secondary User，SU）通过择机的方式接入暂时空闲的PU频段，以提高频谱利用效率［2］。目前，认知无线电网络（CRN）中的研究大多集中于协作频谱感知（Cooperative Spectrum Sensing，CSS），在复杂的无线电环境条件（如重阴影和深多径衰落）下，改善CR的检测性能。然而，通过CSS改善检测性能的同时，会导致通信开销（即带宽需求）的增加。为此，基于簇的频谱感知（CBSS）被用来最小化开销，改善传统CSS的检测性能［3］。此外，基于簇的方案还被用于减少传感延迟和避免控制信道的拥塞。

在传统的基于簇的协作频谱感知系统中，将认知无线电网络划分为簇，每个簇都包含一个簇头（CH）和多个簇成员（CM），其中簇头为具有最大信道增益的CR。目前，学者提出了多种基于簇的CSS方案，例如文献［4］提出了在非理想信道下的基于CSS的一个传统簇，使用OR规则作为聚合规则。相比于集中式的协作频谱感知系统，有效提高了传感性能。然而，其并没有考虑频谱效率。文献［5］提出一种基于多簇多分组（MCMG）的CSS的算法，其将每个簇被划分为多个分组，每个分组都有一个组头，组头根据组成员的检测作出组决策，然后将其报告给CH，CH使用K-out-of-N规则对组头发送的信息进行聚合。然后，CH向聚合中心（Fusion Center，FC）报告其簇决策。最后，由FC作出PU存在的最终决策。然而，这些方案都没有考虑节点出现故障时的场景。

在CRN中，二级用户经常会发生故障，为了最小化故障对信道利用率和负载均衡的影响，需要找到一种有效的分配策略，当出现故障节点时能够重新分配信道。当二级用户从故障中恢复时，能够恢复节点信道［6］。为此，文中提出一种负载均衡且具有容错能力的CRN频谱分配方案。根据SU感知生成的可用信道列表，CH生成一个信道分配矩阵（Channel Allocation Matrix，CAM），实现信道的均衡利用。当出现故障时，只需要少量的重分配过程即可实现频谱负载均衡。实验结果表明，文中方案具有较高的负载均衡能力和频谱利用率。

1　认知无线电网络模型

认知无线电网络中，由于固定频谱分配机制的资源利用率低，在空域、时域和频域都会出现冗余的、可以被利用的频率资源，这些频率资源被称为“频谱空穴”［7］，如图1所示。认知无线电的基本思想就是基于如何有效地利用这些“频谱空穴”。

图2所示为一个认知无线电网络的协作频谱感知系统模型，认知系统在一个协作区域内包含N个SU和一个中心控制器，中心控制器负责组织区域内的SU进行协作频谱感知［8］。协作频谱感知中，SU协作感知PU是否为活跃状态。在感知频谱后，SU发送感知结果到中心控制器进行信息融合。中心控制器根据感知的频谱状态做出全局策略，如果发现一个频谱未被占用，则授权一个用户来利用该频谱。协作频谱感知可通过空间差异来克服由于大物体引起的缓慢衰减效应和多路径传播和移动引起的快速衰减［9-10］。

图2　协作频谱感知系统模型

2　提出的容错频谱分配方案

2.1系统模型

一个CRN（N，M）由N个SU构成，这N个SU共享M个信道集合C=｛C1，C2，…，CM｝。将网络划分为K个簇，每个簇有一个簇头。SU和CH通过一个控制频道可以相互交换信息，这个控制信道在执行过程中作为衬垫控制信道（UCC）。在一个或多个信道中，可以利用UCC传输能量小于阈值的控制信号。图3中给出了一个CRN例子，这个CRN由3个信道和4个SU构成。

CH向距离CH一跳距离的SU传送信号，SU根据从CH处接收信号的强度来加入簇，如果SU从一个簇中接收到的信号强度最大，那么这个SU加入到这个簇中［11］。CH定期检查其二级成员用户是否发生故障，如果发生故障，CH将会把故障信息通知给其他CH。

图3　CRN（4，3）的一个例子

2.2参数定义

1）信道Ci的频率f（Ci）:对信道Ci进行传感为可用信道的二级用户的总数。

2）对于每个二级用户：

①可用信道列表（ACLi）：由于主用户的干扰，每个SUi构建了一个ACLi，并向其对应的簇头发送ACLi。ACLi的结构如下所示：

其中，Inf（i，j）表示SUi对含有PU的信道Cj上的干扰值，其中Inf（i，j）∈｛0，1｝。Inf（i，j）=0表示在信道Cj上没有观察到干扰，即SUi可以使用这个信道，否则不能使用。

②信道id（Cidi）：Cidi=Cj表示将信道Cj分配给SUi。

3）对于每个簇头：

①可用信道矩阵 （ACM）：在接收到网络中所有SU的ACL之后，每个CH构建一个ACM。ACM为一个N×M大小的矩阵，如果信道 Cj位于 SUi的可用信道列表之中，那么ACM （i，j）的条目为 ‘Y’。保存ACM的一个备份作为初始O_ACM。

②信道分配矩阵（CAM）：每个CH利用算法规则构建了一个CAM。CAM的每一列表示被分配特殊信道的SU集合，该SU集称为这个信道的分配用户向量（AUV），因此CAM中的每列表示每个信道的AUV。

2.3文中频谱感知方案流程

SU在对环境进行传感之后，构建二级用户可利用信道列表（ACL）。根据二级用户ACL的大小将信道分配给二级用户，ACL尺寸越小表示其具有越高的优先分配级别［12］。在每个阶段的每一轮，为具有最小尺寸列表的SU分配一个信道。当将所有被传感的信道分配给一些二级用户之后，则该阶段完成。

剩余的二级用户在下一个阶段为其分配信道，这次分配信道过程中需要考虑其ACL。每个SU按照周期性方式分配一个信道。如果任何的SU发生故障，那么当前分配给这个SU的信道是无意义的。故障的发生引起了信道中负载的不均衡，这可能会降低信道的利用率［13］。为此，文中算法寻找具有最小负载的信道，并重新分配给二级用户，使信道的负载平衡。文中频谱分配方案步骤如下：

步骤1：当SUi第一次传感环境时，或由于对环境的传感，SUi中的ACLi进行任何更新时。SU将CHANNEL_INFO （SUi，ACLi）信息发送给其对应的CH。

CH向所有其他的CH发送信息，当获取所有SU的ACL之后构建ACM，然后执行Channel_Allocation（）程序构建CAM。Channel_Allocation（）程序伪代码如程序1所示。

程序1：Channel_Allocation（）

在每个簇头处：

1）初始化Ns=｛SU1，SU2…，SUN｝，其中Ns表示将分配信道的剩余二级用户。

2）在每个阶段，利用Ns和其对应的ACL对ACM进行初始化。

①对于∀Ci∈C

②在每一个轮回中

a.对于每个SUi∈NS，以及每个Cj∈C，其中f（Ci）＞0，计算Pij。

b.｛SUx，Cy｝=SUi∈NS，Cj∈Cargmin（Pij）。

c.NS=NS-｛SUx｝。

d.对于∀Cp∈ACLx，f（Cp）=f（Cp）-1。

e.对于ACM内所有f（Ci）=0的SU，删除其ACL中已被分配信道Cy的条目‘Y’。

g.构造SUx到AUVy的条目，向SUx发送消息。CHANNEL_ALLOCATED（SUx，Cy）

h.如果∃C1∈C，f（C1）＞0，则转到步骤②。

3）直到Ns变成空时，转到步骤2。

步骤2：当第一次构建CAM时，或由CHANNEL_INFO（）消息引起CAM中SUi的分配发生改变时。CH向SUi发送CHANNEL_ALLOCATED（SUi，Cj）信息。

当SUi接收到这个信息，其设置Cidi=Cj并且等待START （SUi，δ）消息，以此在分配的信道Cj上开始通信。

步骤3：每当SUi被允许周期性的使用这个信道δ个时间单元，CH将START（SUi，δ）信息发送给SUi。在接收到START （SUi，δ）消息的基础上，SUi在分配的信道上开始执行δ个时间单元的通信。

步骤4：CH周期性的发送ARE_YOU_ALIVE（SUi）信息以检测其成员SUs是否发生故障。

步骤5：如果SUi在时间间隔内没有发生故障并且仍然有活性，那么SUi向其 CH发送ALIVE（SUi）消息以响应ARE_YOU_ALIVE（SUi）消息。CH等待τ个时间单元以等候其成员SUs发送的ALIVE（SU）消息。如果CH没有接收到任何ALIVE（SU）消息，那么τ个时间单元之后执行Allocation_on_Failure（）程序，其伪代码如程序2所示。

程序2：Allocation_on_Failure（）

对于每个CH：没有从SUi处接收到用于应答ARE_YOU_ALIVE（）消息的ALIVE（SUi）消息。

1）从AUVj中删除SUi的条目，其中SUi∈AUVj。

2）对于除了Cj的∀Ck∈C，有

3）如果所有的Diffk＞1，则不操作。

4）否则，对于每个Diffk＞1，将其值按降序排列。

a.对于每个SUp∈AUVk。

b.如果Cj∈ACLp。

b1.从AUVk中删除SUp的条目。

b2.将SUp的条目加入到AUV中，并且将CHANNEL_ALLOCATED（SUp，Cj）发送到SUp。

b3.退出。

步骤6：如果SUi从故障中恢复，那么其向对应的CH发送RECOVERED（SUi）消息。一旦CH接收到这个消息则执行Allocation_on_Recovery（）程序，其伪代码如程序3所示。

程序3：Allocation_on_Recovery（）

对于每个CH：接收到SUi发送的消息RECOVERED （SUi，ACLi）。

1）将SUi及其ACLi都加入到ACM中。

3）在CAM中将SUi条目加入到AUVk中，将CHANNEL_ ALLOCATED（SUi，Ck）消息发送到SUi。

3　实验及分析

图4给出了2种方案的信道负载不均衡比例（LIR），可以看出，本文方案的LIR总是低于或等于文献［5］方案。这是因为，本文方案中，当SUi发生故障，且SUi∈AUVi时，本文利用Diffk确定出Ck∈C-｛Cj｝的大小。为了进行负载均衡，将对应于max（Diffk）的二级用户SUp∈AUVk和Cj∈ACLp重新分配给信

文中利用NS-2网络仿真器［14］来构建认知无线电认知网络模型，将本文方案与没有考虑分配容错模型的文献［5］进行比较。构建一个N=7，M=8的CRN，将整个网络划分为K=3个簇。簇1中包含SU1和SU2，簇2中包含SU3、SU4和SU5，簇3中包含SU6和SU7。假设节点随机分布在500×500 m2的仿真区域中，节点的移动速度为0～50 m/s。在CRN上执行一个多媒体应用场景，场景中具有一个语音和视频应用程序，频谱需求分别为32 Kbps和256 Kbps。

负载不均衡比例（LIR）定义为信道中分配的二级用户的最大数量与任何其它信道中二级用户最小个数间的差［15］。其中，信道上的负载定义了信道中分配的二级用户总的个数，二级用户周期性的使用信道。道Cj。因此本文方案保持LIR接近发生故障前的大小。

图4　负载不均衡比例

图5　频谱利用率

图5显示了两种方案的频谱利用率，为了最大化系统性能，频谱利用率是一个重要的性能指标，两种案都有类似的趋势，而在各种应用请求速率下，文中方案的频谱利用率比其他方案更高。

4　结束语

文中提出一种具有容错功能的基于信道分配矩阵的CR网络频谱分配方案。二级用户（SU）通过协作感知构建可用信道列表，簇头通过信道分配算法形成信道分配矩阵，完成信道分配。当节点出现故障或恢复时，动态调整信道分配矩阵，以最少的重分配过程完成信道分配。实验结果表明，文中方案能够快速的实现网络负载均衡，具有较高的频谱利用率。

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Fault-tolerant spectrum allocation scheme based on channel allocation matrix for CR networks

LIU Jun-xia1，BU Yu2，LIU Zhi-yong1
（1.Department of Electrical and Information，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830023，China；2.Department of Computer Engineering，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830023，China）

For the issues that the existing spectrum allocation scheme of the cognitive radio（CR）network has not considered the problem of node failure，a spectrum allocation scheme based on channel assignment matrix with fault-tolerance function is proposed.First，the secondary user（SU）constructs a list of available channels through cooperative sensing and sends to the cluster head（CH）.Then，the cluster heads construct the available channel matrix，and the channel allocation matrix（CAM）is formed by the channel assignment algorithm.When a node fails or is recovered，the channel assignment matrix is dynamically adjusted to complete channel allocation with minimal redistribution process.The experimental results show that the proposed scheme can well balance the network load and has a high spectrum utilization.

cognitive radio network；channel allocation matrix；spectrum allocation；fault-tolerance；load-balancing

TN919

A

1674-6236（2016）14-0077-04

2016-01-21稿件编号：201601197

新疆维吾尔自治区高校科研计划青年教师科研启动基金项目（XJEDU2014S074）。

刘俊霞（1980—），女，新疆博州人，硕士，讲师。研究方向：无线网络、通信网络规划与建模等。