一種改進(jìn)的基于MMAC協(xié)議的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議＊

王 揮，高 刃

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院電子工程系，湖北 武漢 430205）

1 引言

隨著信息化進(jìn)程的深入，無線通信業(yè)務(wù)的需求急劇擴(kuò)張，種類日益多元化，形成了多種異構(gòu)無線接入技術(shù)并存的格局；同時(shí)，迅速增長的無線通信業(yè)務(wù)需求也使得通信中的頻譜資源缺乏問題日益突出。這兩個(gè)問題已經(jīng)成為制約無線通信朝著寬帶化、泛在化等方向發(fā)展的基本問題。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是當(dāng)前的頻譜資源分配是固定的靜態(tài)的分配方式，即某一無線頻段固定地分配給某一特定的無線接入網(wǎng)絡(luò)。這種固定的頻譜分配方式管理相對簡單，但頻譜資源的利用卻表現(xiàn)出高度的不均衡性。二是在無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中，為了支持不同的通信業(yè)務(wù)，不同的機(jī)構(gòu)提出了很多不同體制、相互獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，雖然在一定程度上滿足了一些特定的業(yè)務(wù)需求，但在客觀上形成了多種異構(gòu)無線接入技術(shù)并存的網(wǎng)絡(luò)格局，造成了眾多的“網(wǎng)絡(luò)孤島”。在這樣的狀態(tài)下，用戶只能單獨(dú)地使用某種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而不能在多種網(wǎng)絡(luò)中相互無縫地切換。

為了滿足多元化的應(yīng)用需求，目前各國的研究人員試圖通過各種方式和技術(shù)來解決頻譜稀缺和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性的問題。Mitola III J博士于1999 年首次提出認(rèn)知無線電CR（Cognitive Radio）。以認(rèn)知無線電為基礎(chǔ)構(gòu)建的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)CRN（Cognitive Radio Networks），是由支持認(rèn)知無線電技術(shù)的終端、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施與控制策略組成的無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被公認(rèn)為是解決現(xiàn)在及未來頻譜資源稀缺和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的首選技術(shù)，甚至被譽(yù)為是下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)方面，美國的主要研究機(jī)構(gòu)或者研究項(xiàng)目有：美國自然科學(xué)基金委員會（NSF）支持的CogNet項(xiàng)目[1，2.；DARPA 的XG 項(xiàng)目[3，4]；美國加州大學(xué)伯克利分校的CORVUS 系統(tǒng)；IEEE的802.22標(biāo)準(zhǔn)[5]；歐盟的代表性在研項(xiàng)目E2R[6]、E3[7]和DRiVE（Dynamic Radio for IP Services in Vehicular Environments）項(xiàng)目等。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，頻譜資源是不可再生的，故特別稀缺。對于共享的信道，當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)使用產(chǎn)生競爭時(shí)，如何采取有效的協(xié)調(diào)機(jī)制或規(guī)范來分配信道的使用權(quán)，是媒體訪問控制技術(shù)的核心問題，而MAC 協(xié)議就是定義一定的順序和有效的方式分配節(jié)點(diǎn)訪問媒體的規(guī)則。

當(dāng)前對分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的研究主要集中在如下三個(gè)方面：信道的感知策略、信道的接入策略和信道的共享方式。在這三個(gè)方面中，功率控制機(jī)制是需要重點(diǎn)考慮的問題。

文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)研究了信道感知和接入的策略，由于硬件技術(shù)和成本的限制，認(rèn)知用戶在一定的時(shí)間內(nèi)只能感知部分的頻譜信息。對感知之后的信道接入策略問題，要使得所選擇的信道獲得的回報(bào)最大，該文獻(xiàn)提出使用POMDP來優(yōu)化該問題。

文獻(xiàn)[9]提出了硬件受限的無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)感知與分配模型，并提出了一種分布式的MAC 協(xié)議。該協(xié)議使得節(jié)點(diǎn)對之間能快速找到感知和接入的最優(yōu)平衡點(diǎn)。通過最優(yōu)停機(jī)理論，建立感知和接入的平衡模型，使得感知和接入能得到最優(yōu)的決策結(jié)果。

文獻(xiàn)[10]提出了一種分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該協(xié)議采用了隨機(jī)的感知策略和基于協(xié)商的感知策略。

以上所提出的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議都是基于專用的控制信道，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，該專用的控制信道將成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，基于該因素，目前也有文獻(xiàn)提出并行多匯聚點(diǎn)的MAC 協(xié)議，用以解決單個(gè)控制信道的瓶頸問題。

2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)

相對于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)具有顯著的特征，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)o線環(huán)境進(jìn)行感知，通過動(dòng)態(tài)地調(diào)整其操作參數(shù)，以機(jī)會的方式選擇空閑頻譜資源。因此，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的接入控制被稱為動(dòng)態(tài)頻譜接入DSA（Dynamic Spectrum Access）或機(jī)會式頻譜接入OSA（Opportunistic Spectrum Access）。

在設(shè)計(jì)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議時(shí)，至少需要重點(diǎn)考慮如下四個(gè)方面的需求：

（1）保護(hù)主用戶，盡量降低對主用戶的干擾。這就要求認(rèn)知用戶實(shí)時(shí)地感知當(dāng)前頻譜的使用狀態(tài)，同時(shí)也需要進(jìn)行一定的功率控制。

（2）滿足認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量要求。MAC 協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量如吞吐量、延遲和丟包率有著重要的影響，MAC協(xié)議的好壞直接影響到這些性能。

（3）MAC 協(xié)議應(yīng)該有較低的復(fù)雜度。MAC協(xié)議需要完成頻譜感知、功率控制、頻譜分配和信道協(xié)商等一系列復(fù)雜的操作，為了增強(qiáng)協(xié)議的性能，要盡可能地降低協(xié)議的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。

（4）公平有效地使用信道資源。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)信道，認(rèn)知用戶要公平地使用這些信道，同時(shí)要最大限度地使用頻譜機(jī)會。

在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議過程中，關(guān)鍵技術(shù)包括頻譜分配、頻譜接入、頻譜切換和功率控制。

2.1 頻譜感知

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶接入信道的優(yōu)先權(quán)比主用戶低，也即當(dāng)主用戶出現(xiàn)在認(rèn)知用戶使用的信道上時(shí)，認(rèn)知用戶必須及時(shí)地退出該信道。這就要求認(rèn)知用戶能夠?qū)崟r(shí)地感知當(dāng)前的頻譜，精確的頻譜感知是設(shè)計(jì)性能良好的MAC協(xié)議的基礎(chǔ)。

目前，已經(jīng)提出了多種頻譜感知技術(shù)[11～15]。

2.2 功率控制

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶可以機(jī)會式地使用授權(quán)頻譜而不對主用戶造成過分的干擾，而認(rèn)知用戶的過高功率是對主用戶造成干擾的主要原因之一，因此必須適當(dāng)?shù)乜刂普J(rèn)知用戶的發(fā)射功率。一方面，通過一定的功率控制策略將認(rèn)知用戶的功率控制在足夠低的范圍內(nèi)，才能避免對主用戶造成不可接受的干擾；另一方面，如果認(rèn)知用戶的發(fā)射功率過低，那么可能造成認(rèn)知用戶之間通信失敗，或者降低認(rèn)知用戶間的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[16～18]提出了多種功率控制技術(shù)。

2.3 頻譜分配

頻譜分配是指根據(jù)一定的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和服務(wù)質(zhì)量的要求將當(dāng)前可用頻譜資源分配給一個(gè)或多個(gè)認(rèn)知用戶。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配主要使用兩個(gè)重要的理論方法：最優(yōu)化技術(shù)和博弈論技術(shù)。目前，已經(jīng)提出了多種頻譜分配方案，文獻(xiàn)[19～23]是基于圖論著色的頻譜分配方案；文獻(xiàn)[24]是基于拍賣競價(jià)的頻譜分配方案；文獻(xiàn)[25]是基于博弈論的頻譜分配方案。

3 CR-MMAC協(xié)議

MMAC協(xié)議[26]是一種性能優(yōu)秀的傳統(tǒng)的多信道MAC協(xié)議，本文在MMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，將其改進(jìn)為能適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的多信道MAC協(xié)議CR-MMAC（MMAC-based Multi-channel MAC）。

3.1 協(xié)議假設(shè)條件

（1）認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中有相同帶寬且互不重疊的N 個(gè)正交數(shù)據(jù)信道，在不同信道上傳輸數(shù)據(jù)互不干擾。當(dāng)認(rèn)知用戶檢測到某個(gè)信道沒有被主用戶使用時(shí)，認(rèn)知用戶可以機(jī)會地使用該信道，一旦主用戶出現(xiàn)在該信道上，認(rèn)知用戶必須及時(shí)退出該信道。

（2）從N 個(gè)數(shù)據(jù)信道中預(yù)先定義一個(gè)控制信道用于認(rèn)知節(jié)點(diǎn)交換控制信息，該信道不為主用戶所占用。由于時(shí)間同步性（見協(xié)議假設(shè)條件5），控制信道在數(shù)據(jù)傳輸階段不用傳輸控制信息，所以該控制信道也可以被認(rèn)知用戶用于數(shù)據(jù)傳輸。

（3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)半雙工的具備軟件無線電功能的收發(fā)器，該收發(fā)器要么發(fā)送數(shù)據(jù)，要么偵聽數(shù)據(jù)，而不能在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)偵聽。因此，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)刻只能在一個(gè)信道上偵聽或者發(fā)送數(shù)據(jù)。該收發(fā)器具備軟件無線電功能，故可以在不同的信道上任意切換。

（4）認(rèn)知用戶不能干擾主用戶或者最大限度地減小對主用戶的干擾。主用戶有一個(gè)可以容忍的最大干擾時(shí)間，只要認(rèn)知用戶對主用戶的干擾時(shí)間不超過該時(shí)間，那么認(rèn)知用戶和主用戶就可以共存。

（5）網(wǎng)絡(luò)中所有認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)之間采用信標(biāo)的方法建立時(shí)間同步。時(shí)間同步可以通過帶外方案如GPS或帶內(nèi)方案來實(shí)現(xiàn)。如果使用帶外解決方案，協(xié)議不需要額外的開銷；如果使用帶內(nèi)解決方案，則可以使用IEEE 802.11 的時(shí)間同步功能提示符TSF（Timing Synchronization Function）。

3.2 信道使用模型

如圖1所示，每個(gè)授權(quán)信道被主用戶以時(shí)隙的方式使用，當(dāng)主用戶沒有使用某信道時(shí)，認(rèn)知用戶能夠在不影響主用戶的條件下機(jī)會地使用該信道。每個(gè)信道遵循ON-OFF 的信道使用模型，即在給定時(shí)隙t，當(dāng)沒有任何一個(gè)主用戶使用某信道chi時(shí)，該信道處于ON 狀態(tài)，即空閑狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)知用戶能使用該信道；當(dāng)有任何一個(gè)主用戶使用信道chi時(shí)，該信道處于OFF狀態(tài)，即忙狀態(tài)，認(rèn)知用戶在該時(shí)隙不可以使用該信道。特別地，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有信道的狀態(tài)改變情況是獨(dú)立的。

Figure 1 ON-OFF channel usage model圖1 ON-OFF信道使用模型

用αi表示信道chi從狀態(tài)ON 轉(zhuǎn)換為OFF的概率，用βi表示信道chi從狀態(tài)OFF轉(zhuǎn)換為ON 的概率，這里1≤i≤N，那么信道狀態(tài)可以描述為一個(gè)二維的馬爾科夫鏈模型，如圖2所示。

Figure 2 Two-dimensional Markov chain model of ON-OFF channel usage model圖2 ON-OFF信道使用的二維馬爾科夫鏈模型

對于第i 個(gè)信道chi，在時(shí)隙t 的狀態(tài)記為Ii（t），這里t＝1，2.…，T。分別用0和1表示信道的空閑和忙的狀態(tài)。這樣，信道chi的狀態(tài)在連續(xù)的時(shí)隙中感知的結(jié)果將為一個(gè)二元隨機(jī)序列。網(wǎng)絡(luò)中第t個(gè)時(shí)隙的狀態(tài)可以表示為[I1（t），I2（t），…，In（t）]。用γi表示第i個(gè)信道chi的使用情況，則有：

3.3 CR-MMAC協(xié)議描述

在CR-MMAC協(xié)議中，時(shí)隙的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，每個(gè)時(shí)隙由四個(gè)階段組成，分別是信道感知階段、信道協(xié)商階段、信道預(yù)留階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。用TS、TN、TR、TD分別表示這四個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)無線收發(fā)器，所以該收發(fā)器既用于控制收發(fā)器，又用于數(shù)據(jù)通信。

Figure 3 Time slot structure of CR-MMAC protocol圖3 CR-MMAC協(xié)議的時(shí)隙結(jié)構(gòu)

（1）信道感知階段。當(dāng)認(rèn)知用戶有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，在每個(gè)時(shí)隙的開始階段需要進(jìn)行信道感知，在改進(jìn)的CR-MMAC 協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄其鄰居節(jié)點(diǎn)的信道使用情況，包括鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識、節(jié)點(diǎn)所使用的信道以及節(jié)點(diǎn)使用該信道所持續(xù)的時(shí)間。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)也記錄了上一個(gè)時(shí)隙的空閑信道列表。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)通過這些信息來選擇需要感知的信道。詳細(xì)的信道感知策略在本節(jié)下文介紹。在信道感知階段完成時(shí)，節(jié)點(diǎn)便獲得了當(dāng)前時(shí)隙的空閑信道列表。如果空閑信道列表不為空，則協(xié)議進(jìn)入第二階段；否則，節(jié)點(diǎn)將等待下一個(gè)時(shí)隙再進(jìn)行信道感知。

（2）信道協(xié)商階段。信道感知階段完成后，進(jìn)入信道協(xié)商階段，信道協(xié)商根據(jù)收發(fā)雙方空閑信道列表，選擇一個(gè)優(yōu)先權(quán)較高的公共信道用于數(shù)據(jù)傳輸。在此階段，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將帶有自身空閑信道列表的ATIM 幀發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)在收到該ATIM 幀后，根據(jù)一定的信道選擇規(guī)則，從空閑信道列表中選擇一個(gè)公共信道，然后目的節(jié)點(diǎn)將所選擇的公共信道以ATIM-ACK 幀的方式發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)。該幀同時(shí)也對目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)起到信道預(yù)留的作用。

（3）信道預(yù)留階段。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ATIM-ACK 幀后，源節(jié)點(diǎn)感知ATIM-ACK中的目的節(jié)點(diǎn)所指定的信道是否可用，如果該信道可用，則源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ATIM-RES幀，該幀告知源節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)它使用了該信道，起到信道預(yù)留的作用。

（4）數(shù)據(jù)傳輸階段。當(dāng)信道預(yù)留成功后，節(jié)點(diǎn)便切換到所預(yù)留的信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此階段的通信過程與MMAC協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送方式相同。

圖4為CR-MMAC 協(xié)議的簡單流程設(shè)計(jì)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先感知當(dāng)前可用的信道；獲取可用空閑信道后，與目的節(jié)點(diǎn)協(xié)商，判斷是否存在公共可用的信道，如果存在，則收發(fā)雙方可以通信，否則等待到下一個(gè)時(shí)隙通信。

Figure 4 Workflow of CR-MMAC protocol圖4 CR-MMAC協(xié)議的工作流程

3.4 CR-MMAC協(xié)議的感知和接入策略

在CR-MMAC協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

（1）鄰居節(jié)點(diǎn)信道使用列表CUL（Channel Usage List）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄了與某節(jié)點(diǎn)（不失一般性，設(shè)該節(jié)點(diǎn)為X）相鄰的節(jié)點(diǎn)使用數(shù)據(jù)信道的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)分布式地維護(hù)一個(gè)CUL 表，CUL表包含三個(gè)域：

①CUL[i].host，用于記錄節(jié)點(diǎn)X 的某一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識，可以用該節(jié)點(diǎn)的MAC 地址來唯一地標(biāo)識該鄰居節(jié)點(diǎn)。

②CUL[i].channel，用于記錄鄰居節(jié)點(diǎn)CUL[i].host當(dāng)前正在使用的信道。

③CUL[i].rel＿time，用于記錄節(jié)點(diǎn)CUL[i].host在信道CUL[i].ch 上還需要持續(xù)使用的時(shí)間。

（2）感知信道列表SCL（Sensing Channel List）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于記錄每個(gè)時(shí)隙該節(jié)點(diǎn)需要感知的信道。SCL 按照感知優(yōu)先級排序，編號越小，感知優(yōu)先級越高，即SCL[0]的感知優(yōu)先級最高，SCL[m-1]的感知優(yōu)先級最低，其中m 是一個(gè)時(shí)隙中可以感知的最多信道的個(gè)數(shù)。

（3）優(yōu)選信道列表PCL（Preferable Channel List）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄了節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)信道的使用情況，可幫助節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)的信道。PCL 列表包含三個(gè)域：

①PCL[i].channel，用于記錄優(yōu)選信道編號。

②PCL[i].status，記錄信道PCL[i].channel的狀態(tài)。每個(gè)信道分為三種狀態(tài)：

a高優(yōu)選（HIGH）：表示此信道在前一時(shí)隙正被該節(jié)點(diǎn)使用且在當(dāng)前時(shí)隙為空閑。如果信道處于這個(gè)狀態(tài)，則在信道協(xié)商階段必須優(yōu)先選取這個(gè)信道，這樣發(fā)送節(jié)點(diǎn)就不需要切換到其它信道，從而減小延遲。從高優(yōu)選的狀態(tài)要求可以看出，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在任何一個(gè)時(shí)隙最多只有一個(gè)信道為高優(yōu)選狀態(tài)。

b 中優(yōu)選（MID）：在本節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)，當(dāng)前沒有被任何節(jié)點(diǎn)使用的信道。如果當(dāng)前時(shí)隙沒有高優(yōu)選狀態(tài)的信道，那么就優(yōu)先選擇處于該狀態(tài)的信道。

c低優(yōu)選（LOW）：在本節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)，至少被其鄰居節(jié)點(diǎn)使用過一次的信道。

③PCL[i].counter。當(dāng)PCL[i].status 為LOW 時(shí)，用于記錄信道PCL[i].channel在當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)有多少通信雙方計(jì)劃使用該信道。該域?qū)嶋H上是一個(gè)計(jì)數(shù)器，主要目的在于盡可能地平衡各個(gè)信道的通信負(fù)載，如果所有的信道都處于低優(yōu)選狀態(tài)，那么節(jié)點(diǎn)將選擇計(jì)數(shù)器最小的信道。

在CR-MMAC協(xié)議中，時(shí)隙的開始階段需要確定感知哪些信道，本節(jié)提出了基于節(jié)點(diǎn)的CUL和PCL 的信道感知策略CPSP（CUL and PCL based Sensing Policy）。在信道感知階段，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)其維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CUL 和PCL 來確定將要感知的信道。感知策略的流程如圖5所示。

基于上述協(xié)議中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和感知策略的流程，感知算法CPSP 的詳細(xì)過程如算法1 所示，該算法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙執(zhí)行感知的過程。

算法1 CR-MMAC協(xié)議的感知算法CPSP

Step 1 初始化：將感知信道列表SCL置空。

Step 2 將PCL中狀態(tài)為HIGH 的信道加入SCL：如果PCL中有狀態(tài)為HIGH 的信道，則將該信道加入到SCL中。

Step 3 將PCL 中狀態(tài)為MID 的信道加入SCL：如果PCL 中有狀態(tài)為MID 的信道，則將該信道加入到SCL 中。狀態(tài)為MID 的信道表示該信道沒有被任何節(jié)點(diǎn)使用。計(jì)算方法如下：

（1）根據(jù)SUL 計(jì)算所有鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)使用的信道的集合Sbusy；

Figure 5 Workflow of sensing strategy圖5 感知策略的流程

（2）則狀態(tài)為MID 的信道為N 個(gè)信道減去Sbusy 所得的集合，并將該集合加入到SCL中。

Step 4 計(jì)算在當(dāng)前時(shí)隙的數(shù)據(jù)通信階段為空閑的信道的集合Sd＿idle：

將滿足下列條件的信道加入到集合Sd＿idle中：

其中，Tcurrent為當(dāng)前時(shí)間。該條件表示對所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，即使在當(dāng)前的感知階段信道忙，但忙態(tài)只持續(xù)到信道預(yù)留階段，這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)通信階段該信道是空閑的。

Step 5 將Sd＿idle加入到SCL中；

Step 6 確認(rèn)SCL不為空：

如果SCL為空，則從N 個(gè)信道隨機(jī)選擇m 個(gè)信道加入SCL；如果SCL中的信道數(shù)l低于m，則從N 個(gè)信道中隨機(jī)選擇不與SCL 重復(fù)的m-l個(gè)信道加入到SCL中。

Step 7 根據(jù)SCL感知信道。

Step 8 清空PCL，并將感知的信道加入到列表PCL中。

CR-MMAC協(xié)議的信道有三種狀態(tài)，這三種狀態(tài)按下述方式改變：

（1）在節(jié)點(diǎn)的感知階段結(jié)束后，將PCL 中的所有信道置為MID 狀態(tài)。

（2）如果源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)協(xié)商好一個(gè)信道，那么目的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送ATIM-ACK 幀后將該信道標(biāo)記為HIGH 狀態(tài)；源節(jié)點(diǎn)在收到ATIM-ACK 并發(fā)送ATIM-RES幀后將該信道標(biāo)記為HIGH 狀態(tài)。

（3）當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)偵聽到 ATIM-ACK 或ATIM-RES幀時(shí)，那么該節(jié)點(diǎn)PCL 中的信道chi（與ATIM-ACK 或者ATIM-RES 幀中指明的信道相同）狀態(tài)按如下方式變化：

①如果信道開始的狀態(tài)為MID，則將該信道的狀態(tài)更新為LOW。當(dāng)信道的狀態(tài)從MID 變?yōu)長OW 時(shí)，則與其相關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)器被置為1。

②如果信道開始的狀態(tài)為HIGH，則該信道的狀態(tài)仍然保持為HIGH。

③如果信道的開始狀態(tài)為LOW，那么與該信道相關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)器增加1，表示又增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要使用該信道。

與MMAC 協(xié)議類似，在CR-MMAC 協(xié)議中，ATIM 窗口也用于信道協(xié)商與信道預(yù)留，其過程如下：用周期性的信標(biāo)將時(shí)間劃分為信標(biāo)間隔。在協(xié)商階段的開始處加入一個(gè)叫做ATIM 窗口的小窗口，該窗口類似于IEEE 802.11 PSM 中 的“ATIM”，但CR-MMAC協(xié)議中的ATIM 和IEEE 802.11PSM 中的ATIM 所起的作用不同。有數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)通過這個(gè)小窗口和目的節(jié)點(diǎn)協(xié)商信道。在ATIM 窗口中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須切換到默認(rèn)的控制信道上偵聽。在ATIM 窗口階段，所有節(jié)點(diǎn)偵聽控制信道，且ATIM 幀在該信道上傳輸。

在信道協(xié)商階段，如果節(jié)點(diǎn)S 有數(shù)據(jù)要發(fā)送到節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)S 將發(fā)送一個(gè)ATIM 幀通知節(jié)點(diǎn)D。節(jié)點(diǎn)S 的ATIM 包中包括它自己的PCL，節(jié)點(diǎn)D 收到節(jié)點(diǎn)S 的ATIM 幀后，根據(jù)它自己的PCL和節(jié)點(diǎn)S 的PCL，選擇一個(gè)最優(yōu)的信道。在CR-MMAC協(xié)議中，接收者的選擇優(yōu)先權(quán)要高于發(fā)送者。在節(jié)點(diǎn)D 選擇一個(gè)信道后，它將發(fā)送一個(gè)ATIM-ACK 幀給節(jié)點(diǎn)S，該幀中包括了節(jié)點(diǎn)D 所選擇的信道信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)S 收到ATIM-ACK 幀后，通過信道感知看是否能夠選擇ATIM-ACK 幀中指定的信道。ATIM-ACK 幀告知節(jié)點(diǎn)D 的鄰居節(jié)點(diǎn)哪一個(gè)信道將要被節(jié)點(diǎn)D 使用。這樣節(jié)點(diǎn)D 的鄰居節(jié)點(diǎn)就用該信息更新它們自己的PCL。如果節(jié)點(diǎn)S 確定選擇了ATIM-ACK 幀中指定的信道，S 將發(fā)送一個(gè)ATIM-RES幀給節(jié)點(diǎn)D。在CR-MMAC該協(xié)議中，ATIM-RES是一種新類型的幀，ATIM-RES幀告知節(jié)點(diǎn)S 的鄰居節(jié)點(diǎn)哪一個(gè)信道將要被節(jié)點(diǎn)S 使用，起到信道預(yù)留的作用。同樣，節(jié)點(diǎn)S 的鄰居節(jié)點(diǎn)就用該信息更新它們自己的PCL。在協(xié)商和預(yù)留信道之后，節(jié)點(diǎn)S 和節(jié)點(diǎn)D 將切換到所協(xié)商的信道上通過RTS／CTS機(jī)制開始數(shù)據(jù)分組。

如果節(jié)點(diǎn)S 不能選擇節(jié)點(diǎn)D 所選擇的信道，那么在當(dāng)前的時(shí)隙中它不能發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)D 而必須等到下一個(gè)時(shí)隙再進(jìn)行協(xié)商。

當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙開始發(fā)送ATIM 幀時(shí)，這些ATIM 幀將發(fā)生沖突。為了避免沖突，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送ATIM 幀之前等待一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間。與IEEE 802.11 中 的RTS 和CTS一樣，ATIM 和ATIM-ACK 幀也包含了NAV 信息來避免多跳網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端問題。圖6 是CRMMAC的信道協(xié)商和預(yù)留示意圖。

Figure 6 Channel negotiation and reservation of CR-MMAC圖6 CR-MMAC的信道協(xié)商和預(yù)留的示意圖

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)ATIM 包后，它就選擇一個(gè)信道，通過發(fā)送包含自身空閑信道列表的PCL信息的ATIM-ACK 幀通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)基于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的PCL 和它自己的PCL 盡量選擇最優(yōu)的信道，在CR-MMAC協(xié)議中，這個(gè)最優(yōu)的信道意味著最小的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

該信道選擇算法的網(wǎng)絡(luò)場景如下：節(jié)點(diǎn)S 有數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點(diǎn)D，那么S 在ATIM 窗口中發(fā)送一個(gè)ATIM 幀到節(jié)點(diǎn)D，該幀中包含了節(jié)點(diǎn)S 的PCL。目的節(jié)點(diǎn)D 接收到S 的ATIM 請求后，節(jié)點(diǎn)D 將根據(jù)它自己的PCL 和S的PCL 決定使用哪個(gè)信道。節(jié)點(diǎn)D 選擇信道的過程如下：

（1）如果節(jié)點(diǎn)D 中的PCL和節(jié)點(diǎn)S中的PCL有相同的信道且信道的狀態(tài)為HIGH，那么就選擇該信道。

（2）否則，如果節(jié)點(diǎn)D 中的PCL 和節(jié)點(diǎn)S 中的PCL有相同的信道且信道的狀態(tài)為MID，那么就選擇該信道；如果有多個(gè)這樣的信道，就從中隨機(jī)選擇一個(gè)。

（3）否則，如果節(jié)點(diǎn)D 的PCL 中有一個(gè)信道的狀態(tài)為HIGH，則選擇該信道。

（4）否則，如果節(jié)點(diǎn)S 的PCL中有一個(gè)信道的狀態(tài)為HIGH，則選擇該信道。

（5）否則，如果節(jié)點(diǎn)S 或節(jié)點(diǎn)D 中有一個(gè)信道為MID，那么選擇該信道；如果有多個(gè)這樣的信道，就隨機(jī)選擇一個(gè)。

（6）否則，所有信道的狀態(tài)都是LOW，那么將發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)PCL中的該信道的計(jì)數(shù)器加1，選擇計(jì)數(shù)器最小的那個(gè)信道。

在選擇一個(gè)信道后，節(jié)點(diǎn)D 發(fā)送一個(gè)ATIMACK 幀到節(jié)點(diǎn)S 來指定其選擇的信道。當(dāng)S 接收到ATIM-ACK 幀后，S 將檢測其是否可以選擇ATIM-ACK 幀中指定的信道。如果S 可以選擇該信道，它將發(fā)送一個(gè)ATIM-RES幀到D，該幀指明了S 所選擇的信道；如果S 不能選擇D 所選擇的信道，則它不能發(fā)送ATIM-RES幀給D。

3.5 仿真性能分析

在NS2中對CR-MMAC 協(xié)議進(jìn)行仿真性能分析，分別考慮單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)的情況。

（1）單跳網(wǎng)絡(luò)。

在單跳網(wǎng)絡(luò)中，場景參數(shù)設(shè)置如表1所示。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍是250m，而模擬場景的范圍是200m×200m，這就保證了所有源節(jié)點(diǎn)可以一跳達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)。本文中所有的實(shí)驗(yàn)場景都假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)處于飽和狀態(tài)，即節(jié)點(diǎn)一直有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送。由于TCP是一個(gè)自適應(yīng)的協(xié)議，其傳輸速率會隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化而變化，不能對發(fā)包速率進(jìn)行控制，所以這里使用UDP協(xié)議來進(jìn)行仿真和分析?；谠撛?，本文中所有其它仿真實(shí)驗(yàn)中的傳輸層也使用UDP 協(xié)議。協(xié)議中設(shè)定每個(gè)信道的感知時(shí)間為2ms，感知階段持續(xù)的時(shí)間為6ms。不作特別說明的情況下，協(xié)議使用3個(gè)信道，UDP包大小為512字節(jié)，ATIM 窗口持續(xù)時(shí)間為20ms。本文將討論在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、不同的CBR 包生成速率和不同信道數(shù)量下CR-MMAC 協(xié)議的性能。所給出的性能分析圖示中，每個(gè)場景模擬的時(shí)間是40s，模擬結(jié)果圖中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是運(yùn)行30次的平均值。

Table 1 Network scenario parameters of CR-MMANC protocol表1 CR-MMAC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)場景參數(shù)設(shè)置

圖7a～圖7c是分別考慮6個(gè)節(jié)點(diǎn)、30個(gè)節(jié)點(diǎn)和64個(gè)節(jié)點(diǎn)的包生成速率與端到端的吞吐量的關(guān)系。這些節(jié)點(diǎn)一半用作源節(jié)點(diǎn)，一半用作目的節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)源節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)。本文將CRMMAC協(xié)議與MMAC協(xié)議和IEEE 802.11協(xié)議進(jìn)行比較。

從圖7可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，這三種協(xié)議的吞吐量相差不大；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸增大時(shí)，MMAC協(xié)議和CR-MMAC 協(xié)議的吞吐量明顯高于IEEE 802.11 協(xié)議；同時(shí)，也可以看出，CRMMAC協(xié)議的吞吐量要小于MMAC 協(xié)議，這是由于在CR-MMAC協(xié)議中，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，都需要對當(dāng)前的信道進(jìn)行感知，這個(gè)感知時(shí)間降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。相對于單信道的IEEE 802.11協(xié)議，MMAC協(xié)議和CR-MMAC協(xié)議都使用了三個(gè)信道，但其吞吐量并不是IEEE 802.11 協(xié)議的三倍，這是由于信道感知或信道協(xié)商消耗了一定的時(shí)間。

Figure 7 Relationships between packet generating rate and throughput in single hop network圖7 單跳網(wǎng)絡(luò)中包產(chǎn)生速率與吞吐量的關(guān)系

圖8a～圖8c是分別考慮6個(gè)節(jié)點(diǎn)、30個(gè)節(jié)點(diǎn)和64個(gè)節(jié)點(diǎn)的包速率與時(shí)延的關(guān)系。從圖8中可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同時(shí)，CR-MMAC 協(xié)議的時(shí)延總是比IEEE 802.11 協(xié)議要低得多，但略高于MMAC協(xié)議。CR-MMAC協(xié)議的時(shí)延低于IEEE 802.11協(xié)議是由于多個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)使用3個(gè)信道，而略高于MMAC 協(xié)議是由于在傳輸數(shù)據(jù)之前總是要進(jìn)行信道感知。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載較輕時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬可以滿足要求，因此時(shí)延區(qū)分不大；但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，基于多信道的MAC 協(xié)議的時(shí)延就明顯具有優(yōu)勢。同時(shí)也可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，三種協(xié)議的時(shí)延都明顯增加。

（2）多跳網(wǎng)絡(luò)。

在多跳網(wǎng)絡(luò)中，場景參數(shù)設(shè)置大部分與單跳網(wǎng)絡(luò)場景相同，如表1所示。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍是250m，但模擬場景的范圍是500m×500m，將100個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于該區(qū)域，從100個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)地選擇40個(gè)節(jié)點(diǎn)分別作為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，那么在仿真過程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能作為多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的源節(jié)點(diǎn)，也可能作為多個(gè)源節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層使用AODV路由協(xié)議。

Figure 8 Relationships between packet generating rate and average delay in single hop network圖8 單跳網(wǎng)絡(luò)中包產(chǎn)生速率與平均包時(shí)延的關(guān)系

圖9a和圖9b分別是40個(gè)數(shù)據(jù)流在3個(gè)信道和4個(gè)信道下的吞吐量比較結(jié)果圖。從圖9中可以看出，CR-MMAC協(xié)議和MMAC協(xié)議的吞吐量遠(yuǎn)高于IEEE 802.11協(xié)議，但CR-MMAC 協(xié)議的吞吐量略低于MMAC 協(xié)議；同時(shí)，隨著信道數(shù)量的增加，CR-MMAC協(xié)議和MMAC協(xié)議的吞吐量也明顯增加，但由于IEEE 802.11是單信道MAC協(xié)議，其吞吐量沒有變化。當(dāng)信道數(shù)量增加一個(gè)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量的增加并沒有成倍于單信道吞吐量，這是由于在多跳網(wǎng)絡(luò)中，并沒有完全地使用這4個(gè)信道。

考慮主用戶對認(rèn)知用戶的影響，在模擬場景中，增加10 個(gè)主用戶，當(dāng)主用戶沒有使用某信道時(shí)，認(rèn)知用戶可以機(jī)會地使用該信道。在10a和圖10b所示的結(jié)果中，CR-MMAC協(xié)議的吞吐量明顯低于圖10a和圖10b所示的吞吐量，這是由于信道資源被主用戶所占用的結(jié)果。

4 結(jié)束語

Figure 9 Relationships between packet generating rate and throughput in multiple hop network圖9 多跳網(wǎng)絡(luò)中包產(chǎn)生速率與吞吐量的關(guān)系

Figure 10 Relationships among packet generating rate and throughput considering primary user in multiple hop networks圖10 多跳網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶包產(chǎn)生速率，主用戶與吞吐量的關(guān)系

本文以設(shè)計(jì)分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)多信道CRMMAC協(xié)議為中心，首先分析了設(shè)計(jì)CR-MMAC協(xié)議需要關(guān)注的關(guān)鍵問題；然后從協(xié)議假設(shè)條件、信道使用模型、協(xié)議幀結(jié)構(gòu)、頻譜感知策略、協(xié)議工程流程等方面詳細(xì)介紹了所提出的MAC 協(xié)議；最后通過單跳和多跳的網(wǎng)絡(luò)仿真說明了所提協(xié)議的良好性能。本文沒有從理論上分析和優(yōu)化感知時(shí)長與感知周期的關(guān)系，只是從仿真實(shí)驗(yàn)上給出了驗(yàn)證，需要進(jìn)一步建立感知和數(shù)據(jù)通信時(shí)長的數(shù)序模型，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。

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