一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中公共控制信道的動態(tài)建立方法*

史邇冬，汪一鳴

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)CRN （Cognitive Radio Network）就是認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化。其本質(zhì)在于將認(rèn)知無線電CR（Cognitive Radio）的關(guān)鍵技術(shù)（環(huán)境感知、智能接入等）應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究[1]。CRN能夠利用認(rèn)知來獲取環(huán)境信息，通過對環(huán)境信息進(jìn)行處理和學(xué)習(xí)做出智能決策，并據(jù)此重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應(yīng)。

與其他的無線網(wǎng)絡(luò)類似，CRN也需要通過一定的方式來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的互相協(xié)調(diào)和控制以保證通信的正常進(jìn)行，這就是公共控制信道產(chǎn)生的根本原因。簡單地說，公共控制信道就是一個事先約定好的專門進(jìn)行用戶基本信息交換和控制指令下發(fā)的通信信道。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)中用于控制的開銷越來越大，公共控制信道的重要性也就越發(fā)凸顯。要想讓一個無線網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作，其公共控制信道的暢通和便捷是必不可少的。

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，CRN的公共控制信道有其自身特點，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）CRN的通信原理是 CR，即對授權(quán)用戶頻譜“空穴”的二次利用。從這個角度來說，CRN公共控制信道的建立和使用也應(yīng)當(dāng)符合CR的基本原則，即不得影響授權(quán)用戶PU（Primary User）對該信道頻率的正常使用。

（2）在不影響PU對頻率的正常使用的前提下，CRN的控制信道也應(yīng)該具備公共控制信道的一般特點，即信道暢通且可以被所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點方便地使用或者監(jiān)聽。

（3）相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)，CRN在公共控制中需要用到更多的環(huán)境參數(shù)和控制信息。

目前關(guān)于CRN公共控制信道的設(shè)計主要有以下3種方案[2]。

（1）劃分出一段專門的頻譜作為公共控制信道，如參考文獻(xiàn)[3]；

（2）選擇一段免執(zhí)照頻段作為公共控制信道；

（3）采用超寬帶技術(shù)進(jìn)行信令傳輸，以做到不干擾其他用戶，如參考文獻(xiàn)[4]。

這3種方案均有不盡人意之處。方案（1）嚴(yán)格意義上說已經(jīng)不屬于認(rèn)知無線電的范疇；方案（2）雖然可以避免干擾授權(quán)用戶，但是需要獨占公共控制信道，并且可能會和其他使用免執(zhí)照頻段的設(shè)備產(chǎn)生串?dāng)_；方案（3）雖然解決了對授權(quán)用戶的干擾以及來自其他設(shè)備的串?dāng)_的問題，但是與數(shù)據(jù)通信完全不同的公共控制通信方式又額外增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。

當(dāng)前在這一領(lǐng)域的研究主要側(cè)重點在減少認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)用戶對公共控制信道的依賴性上。參考文獻(xiàn)[5]、[6]、[7]分別提出了不同的能量檢測協(xié)同算法，以在滿足認(rèn)知用戶基本性能需要的前提下盡可能地降低對控制信道的依賴。目前對公共控制信道建立方法自身的研究還開展的比較少。雖然參考文獻(xiàn)[8]提出了Ad Hoc模式下CRN基于博弈論的公共控制信道的信道建立算法，但是該算法和其他的公共控制信道建立算法類似，有計算復(fù)雜度高以及在認(rèn)知用戶節(jié)點 CU（Cognitive User）增加時性能下降較為嚴(yán)重等缺點，缺乏實際應(yīng)用價值。

1 CRN公共控制信道的動態(tài)建立方法

針對當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，本文提出了一種簡單快速的CRN建立公共控制信道的方法。在CRN中，公共控制信道也應(yīng)該是具有認(rèn)知特性，不能干擾到PU的正常使用，因此，公共控制信道的建立是動態(tài)的。

本文所設(shè)置的研究場景為：CRN為基站BS（Base Station）集中式控制下的點對點通信網(wǎng)絡(luò)。即由基站負(fù)責(zé)覆蓋區(qū)域內(nèi)認(rèn)知信道的檢測，并在收到來自認(rèn)知節(jié)點的通信請求后，向收發(fā)雙方認(rèn)知節(jié)點下發(fā)通信許可和最優(yōu)通信頻譜。假設(shè)所有的CRN節(jié)點（包括BS）均可以與其他節(jié)點建立通信，忽略隱終端和暴露終端問題，并假設(shè)所有的干擾均來自授權(quán)用戶，忽略空間噪聲和其他干擾，如圖1所示。而公共控制信道就是連接基站和認(rèn)知節(jié)點的紐帶。

圖1 認(rèn)知無線網(wǎng)路模型

本文的公共控制信道建立的整體思路是：根據(jù)頻譜感知獲得的先驗知識將所有的認(rèn)知信道按照其是否適合作為公共控制信道的程度進(jìn)行排序，確定預(yù)設(shè)所有信道被選為公共控制信道的優(yōu)先級，節(jié)點和基站再根據(jù)此優(yōu)先級完成公共控制信道的建立。排序的依據(jù)是認(rèn)知信道在一個時間周期內(nèi)的空閑時間的長短，由此確定這些認(rèn)知信道作為CRN的公共控制信道的適合程度。顯然，在一個周期內(nèi)，PU活躍時間越短的信道在CRN中就越穩(wěn)定，也就越適合作為公共控制信道。按照適合程度將CRN中的認(rèn)知信道進(jìn)行排列，并優(yōu)先使用最適合的信道作為公共控制信道。根據(jù)這個方法可以將按照優(yōu)先級排列好的認(rèn)知信道記作 C1，C2……Cn，并通過程序的形式寫入CRN的基站和各個節(jié)點。

公共控制信道的建立過程如下：

（1）CRN的BS在默認(rèn)的最高優(yōu)先級公共控制信道等待來自CU的接入請求，并同時對該信道進(jìn)行能量檢測。

（2）BS一旦檢測到最高優(yōu)先級信道被PU使用，則自動切換至次高優(yōu)先級公共控制信道等待，以此類推。

（3）當(dāng)BS在非最高優(yōu)先級公共控制信道等待時，還將對高于該信道優(yōu)先級的其他信道進(jìn)行監(jiān)聽，一旦監(jiān)聽到更高優(yōu)先級的信道空閑，則自動切換至優(yōu)先級較高的信道作為公共控制信道等待，公共控制信道的動態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

圖2 BS的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

（4）CU在試圖同其他節(jié)點通信之前，首先要通過控制信道同BS取得聯(lián)系。在這個過程中，CU將首先對最高優(yōu)先級控制信道進(jìn)行偵聽，如果偵聽到信道為空閑，則將在最高優(yōu)先級控制信道上同BS取得聯(lián)系，控制信道建立成功。

（5）如果偵聽結(jié)果為信道忙碌或者通信失敗，則CU認(rèn)為基站忙碌或者最優(yōu)通信信道被PU占用，如果檢測到基站忙碌，則CU等待一段時間；如果是信道被PU占用，則CU自動切換至次優(yōu)通信信道與 BS聯(lián)系，以此類推直至控制信道建立成功或者所有控制信道均不可用，其工作流程圖如圖3所示。

圖3 CU的工作流程圖

（6）作為接收方的CU，將在所有被預(yù)設(shè)為可能作為控制信道的信道上進(jìn)行監(jiān)聽，以便接收來自BS的控制信息。

2 系統(tǒng)仿真和信道選擇優(yōu)化

OPNET是一款網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，相比于其他的仿真軟件，其特點在于能夠仿真網(wǎng)絡(luò)通信的具體過程，并能夠從網(wǎng)絡(luò)整體角度和節(jié)點角度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級的行為仿真和數(shù)據(jù)采集[9]。本文在OPNET中對提出的公共控制信道建立方法進(jìn)行了建模和仿真。

設(shè)置仿真場景為自由空間，所有的CU、PU和BS均在其他節(jié)點的通信范圍之內(nèi)。仿真環(huán)境將主要包括以下幾個參數(shù)：（1）可用認(rèn)知信道數(shù)目 M；（2）預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目 N；（3）CU 數(shù)目 P；（4）CU 的工作方式；（5）PU 的活躍時間。

首先將所有的認(rèn)知信道按優(yōu)先級排序，并記為C1，C2…CM，這將作為CU的已知預(yù)設(shè)條件；其次，CU將在每完成一次通信后等待一段時間，然后發(fā)起新一次的通信，等待時間為 0～60 s范圍內(nèi)的隨機數(shù)；此外，為了讓CU能夠完整經(jīng)歷圖3的工作流程，令仿真時長為105s，不同認(rèn)知信道（C1，C2…CM）的PU的活躍時間為：

其中，Cn=1代表PU正在使用認(rèn)知信道Cn（1≤n≤M），Cn=0表示認(rèn)知信道Cn處于空閑狀態(tài)，可以被CU使用。

本文將從通信成功率和公共信道建立時間兩個指標(biāo)去評價公共控制信道建立方法的通信質(zhì)量。通信成功率就是CU發(fā)起的所有通信請求中最終成功建立公共控制信道的請求次數(shù)的比例。公共信道建立時間則指的是從CU發(fā)起通信請求到公共控制信道成功建立這一過程所需要花費的時間。

根據(jù)上述環(huán)境參數(shù)，令M=10，即仿真環(huán)境中有10個可用認(rèn)知信道。圖4和圖5分別給出了在CU數(shù)目P不同的情況下，平均公共信道建立時間（lavg）和平均通信成功率（Savg）隨預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N的變化。

從圖中可以總結(jié)出，預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N越大，lavg會有所增加。這是因為CU在較高優(yōu)先級的預(yù)設(shè)控制信道通信失敗后就會轉(zhuǎn)而使用較低優(yōu)先級的預(yù)設(shè)控制信道，從而消耗了更多的時間。同理，N越大，所有預(yù)設(shè)控制信道均不可用的可能性就越小，Savg就越大。但是與通信延時不同的是，這個增加的幅度會隨著認(rèn)知信道數(shù)目的增加而呈現(xiàn)出較為明顯的邊際效應(yīng)遞減趨勢。

圖4 平均公共信道建立時間隨預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目的變化

圖5 平均通信成功率隨預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目的變化

而隨著CU數(shù)目P的增加，CU之間產(chǎn)生沖突的幾率也就越大，因此，整體的通信質(zhì)量會有所下降，但是趨勢不會變化。

圖4和圖5表明，魚和熊掌不可兼得，如果想要獲得更高的通信成功率，就必須付出增加公共信道建立時間的代價。那么如何才能夠做到對兩者的平衡，并選擇一個最適合的預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N呢？下面通過建立一個性能評價函數(shù)來確定在不同的要求下預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目對系統(tǒng)的影響。

首先對lavg和Savg相對于N的變化函數(shù)進(jìn)行歸一化。令：

作為性能評價函數(shù)，其返回結(jié)果應(yīng)符合人們的使用習(xí)慣，即數(shù)值越大代表性能越好，且返回結(jié)果的趨勢應(yīng)符合原有參數(shù)。經(jīng)過G′n歸一化后的數(shù)值很好地符合了性能評價函數(shù)的條件，可以直接使用；而 H′n經(jīng)過歸一化處理后的函數(shù)顯然不滿足這一點。因此，需要將反轉(zhuǎn)之后重新歸一化，即：

這樣就可以在不改變原有趨勢的情況下反映性能的變化。

為了區(qū)分兩者的重要程度，在這里引進(jìn)權(quán)值A(chǔ)，其取值范圍為[0，1]。若Savg在性能函數(shù)中的重要性為 A，則lavg的重要性就為1-A。

因此性能函數(shù)Un可用式（4）表示：

令 M=10，P=2，則根據(jù) A的取值不同，相應(yīng)的性能函數(shù)Un如圖6所示。

圖6 A取值不同時的性能函數(shù)簇

令A(yù)=0.5，即通信延時和通信成功率對系統(tǒng)設(shè)計的重要性是相同的。由圖6可知，認(rèn)知信道數(shù)目為4時，性能函數(shù)達(dá)到最大值。也就是說，按照優(yōu)先級取前4個認(rèn)知信道作為預(yù)設(shè)控制信道，可以使該公共控制信道建立方法的性能最優(yōu)化。

可知，使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)的預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N*滿足：

根據(jù)以上方法，令 P=2，A=0.5，則根據(jù)認(rèn)知信道數(shù)目M的不同，最優(yōu)的預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N*的取值變化如圖7所示。

圖7 不同M取值下的最優(yōu)預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N*

可見，最優(yōu)控制信道數(shù)目N*并非是一個一成不變的值，而是根據(jù)可用認(rèn)知信道數(shù)目M的不同有著不同的取值。在CRN中，公共控制信道是保證整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞。本文給出了一種不依賴于專有控制信道、免許可頻段和其他調(diào)制方式的CRN的動態(tài)的公共控制信道建立方法，并給出了最優(yōu)化方案的設(shè)計、計算方法和結(jié)果，對于未來的CRN理論完善和網(wǎng)絡(luò)的建立有一定的指導(dǎo)意義。由于時間和作者能力的限制，本文未對CU間的通信沖突導(dǎo)致通信質(zhì)量下降的問題進(jìn)行深層次的研究和改進(jìn)。這將作為未來工作的改進(jìn)方向。

[1]王金龍，吳啟暉，龔玉萍，等.認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]DANIJELA C， SHRIDHAR M， DANIEL W， et al.A cognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum [C].Proceedings of 14th IST MobileWireless Communications，June 2005.

[3]HOLLAND O， ATTAR A， OLAZIREGIN， etal.A universal resource awareness channel for cognitive radio[C].IEEE 17th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications， 2006：1-5.

[4]趙陸文，繆志敏，周志杰，等.適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的寬帶公共協(xié)同信道 [J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010（5）：1078-1082.

[5]張繼良，汪洋，劉法，等.控制信道受限的認(rèn)知無線電聯(lián)合頻譜感知[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010（6）：1113-1116.

[6]HAYKIN S.Cognitiveradio：brain empowered wireless communications [J]. IEEE Journal Selected Areas Communication， 2005，23（2）：201-220.

[7]Sun C H，Zhang W，LETAIEF K B.Cooperative spectrum sensing for cognitive radios under bandwidth constraints[C].Wireless Communications and Networking Conference，2007：1-5.

[8]韓小博，羅濤.Ad Hoc認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中基于博弈論的公共信道建立算法[J].電子學(xué)報，2010（7）：1699-1703.

[9]李馨，葉明.OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.