李保罡，劉元安，劉凱明

（北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876）

1 引言

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（CRN）中包含多個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，能夠利用環(huán)境認(rèn)知來(lái)獲得環(huán)境信息，并對(duì)信息進(jìn)行挖掘處理與學(xué)習(xí)，為智能決策提供依據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線環(huán)境地動(dòng)態(tài)適應(yīng)。由于認(rèn)知用戶（SU）占用了主用戶（PU）未使用的頻段，為避免對(duì)主用戶造成干擾，認(rèn)知用戶必須能夠準(zhǔn)確探測(cè)出主用戶的存在，并在很短時(shí)間內(nèi)退出所占用的頻譜。這就對(duì) CRN中的頻譜感知和頻譜接入提出了很高的要求。而利用周?chē)渌J(rèn)知用戶的感知信息進(jìn)行協(xié)同感知，可以應(yīng)對(duì)無(wú)線環(huán)境中的陰影和多徑等因素造成的影響，解決了單個(gè)認(rèn)知用戶的本地頻譜檢測(cè)不準(zhǔn)確的難題。頻譜接入技術(shù)則可以最大限度地提高空閑頻譜的利用率，并減少對(duì)主用戶和認(rèn)知用戶造成的干擾。然而協(xié)同頻譜感知和頻譜接入都需要周?chē)脩敉ㄟ^(guò)控制信道提供必要的參考信息，因此控制信道的選擇和使用成為這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施的瓶頸[1]。

現(xiàn)有對(duì) CRN的研究中，一般都是選擇 ISM頻段或?qū)Ｓ眯诺雷鳛楣部刂菩诺溃欢壳癐SM頻段已經(jīng)變得很擁擠，不可避免地要受到各種干擾，另選一條專(zhuān)用信道會(huì)給本已頻譜短缺的網(wǎng)絡(luò)雪上加霜，因此設(shè)計(jì)可靠高效的公共控制信道迫在眉睫。

協(xié)同頻譜感知、頻譜接入和路由技術(shù)三者之間并不是獨(dú)立存在的。協(xié)同感知中的檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)周期和虛警概率等會(huì)影響空閑信道的數(shù)量和質(zhì)量，從而影響到認(rèn)知用戶頻譜接入機(jī)會(huì)的多少，進(jìn)而影響認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量[2,3]。信道分配是否合理不僅影響到空閑頻譜的使用效率，還會(huì)影響節(jié)點(diǎn)之間的連通性，從而影響路由路徑的選擇。而本文發(fā)現(xiàn)，所有這些技術(shù)都是為認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)的，只有業(yè)務(wù)發(fā)生時(shí)，這些操作才變得有意義。

本文根據(jù)按需原則，伴隨路由發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)各種控制開(kāi)銷(xiāo)的互傳，利用路由控制消息的廣播特性，將協(xié)同感知和信道分配過(guò)程部分融合到路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的過(guò)程中，并在路由路徑沿線以路由節(jié)點(diǎn)為中心形成協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇，同時(shí)只針對(duì)活動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜協(xié)同感知和信道分配，以減少控制開(kāi)銷(xiāo)和活動(dòng)認(rèn)知用戶的數(shù)量。將協(xié)同感知中空閑頻譜的可用性作為信道分配的依據(jù)之一，并聯(lián)合鄰居認(rèn)知用戶的信道使用情況，以最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的容量為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)的信道分配。

2 相關(guān)工作

公共控制信道的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能影響重大，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了一些研究工作。Christian Doerr等在文獻(xiàn)[4]中利用群體智能方法動(dòng)態(tài)的發(fā)現(xiàn)和管理控制信道，該方法不需要節(jié)點(diǎn)間交換合作信息，具有獨(dú)立發(fā)現(xiàn)和適應(yīng)所處環(huán)境的特性，并證明了將控制信道的分配問(wèn)題比作多商品物流問(wèn)題的可行性，取得了與理論最優(yōu)算法相近的性能。

Brandon F. Lo等在文獻(xiàn)[5]中基于相鄰區(qū)域節(jié)點(diǎn)頻譜的同質(zhì)性，設(shè)計(jì)了一種分布式和啟發(fā)式的控制信道可恢復(fù)方法，通過(guò)自適應(yīng)更新相鄰節(jié)點(diǎn)的可使用頻譜信息，從中選出一個(gè)該區(qū)域公共的控制信道作為替換，因?yàn)檫@種信道切換很短，故實(shí)現(xiàn)了一種虛擬的不間斷的公共控制信道。

Kaigui Bian等在文獻(xiàn)[6]中基于法定人數(shù)系統(tǒng)方法，結(jié)合多信道MAC協(xié)議設(shè)計(jì)中的信道跳頻思想，建立了一個(gè)基于法定人數(shù)的信道跳頻系統(tǒng)。該方法充分利用了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中空閑頻譜分布的不連續(xù)性以及由此帶來(lái)的頻譜特性的差異性，達(dá)到了快速切換控制信道和確保控制信道的穩(wěn)定性。

有關(guān)信道分配和路由聯(lián)合設(shè)計(jì)的研究也已經(jīng)不少。國(guó)內(nèi)南通大學(xué)的顧金媛、章國(guó)安和包志華團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[7]中提出了一種認(rèn)知無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合多路徑路由和信道分配的策略，該方法根據(jù)所選路徑情況設(shè)置交叉節(jié)點(diǎn)的中繼功能，同時(shí)以主用戶歷史占用每個(gè)信道的最少次數(shù)作為依據(jù)來(lái)選擇信道。華中科技大學(xué)的程賡、程文青和楊宗凱團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[8]中提出以端到端路徑的累積時(shí)延為判據(jù)，結(jié)合按需路由實(shí)現(xiàn)了頻譜分配的方法。

然而有關(guān)頻譜感知技術(shù)對(duì)認(rèn)知用戶影響的研究很少，文獻(xiàn)[2,3]重點(diǎn)闡述了合作感知的參數(shù)如檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)周期和虛警概率等與認(rèn)知用戶吞吐量之間的均衡設(shè)計(jì)。據(jù)本文所知，對(duì)協(xié)同頻譜感知、頻譜接入和路由技術(shù)三者之間關(guān)系的聯(lián)合研究更是未曾見(jiàn)報(bào)道。

3 網(wǎng)絡(luò)模型及問(wèn)題描述

考慮采用一個(gè)簡(jiǎn)單圖 G =(V, E)來(lái)表示認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中V表示SU的集合，E為鏈路集合。假設(shè)傳輸層采用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)u∈V都存在一個(gè)通信距離dtr和一個(gè)干擾距離 dir，一般情況下有dir＞ 2dtr，這里為簡(jiǎn)便取節(jié)點(diǎn)的干擾距離是通信距離的2倍, 即干擾范圍取為兩跳距離范圍。

本文主要研究將協(xié)同感知、信道分配和路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的控制信息進(jìn)行合并，以高效利用公共控制信道，同時(shí)為合理利用空閑信道，信道分配的原則應(yīng)該是認(rèn)知用戶的接入對(duì)主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶

假設(shè)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在U個(gè)主用戶，W個(gè)認(rèn)知用戶，授權(quán)給主用戶的頻譜可以分成F個(gè)非重疊信道。因?yàn)檫@里主要討論公共控制信道的高效利用問(wèn)題，故假設(shè)存在一個(gè)公共控制信道，不討論公共控制信道的建立過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的干擾盡量小，同時(shí)自身所接入的信道容量最大化。下面將從路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合算法和信道分配算法3個(gè)方面進(jìn)行詳述。

4 頻譜感知的路由協(xié)議

本文以廣泛應(yīng)用的AODV按需路由協(xié)議為例，主要對(duì)路由請(qǐng)求階段、路由應(yīng)答階段、路由維護(hù)階段進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主用戶和認(rèn)知用戶頻譜感知的路由協(xié)議（SA-AODV, spectrum-aware AODV）。其他路由協(xié)議也可做類(lèi)似修改來(lái)實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)思想。

4.1 路由請(qǐng)求階段

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S要給目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)分組，但路由表中沒(méi)有到達(dá)D的路由時(shí)，S會(huì)發(fā)起一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。源節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中廣播路由請(qǐng)求消息(RREQ)，激起各個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間的頻譜信息交換過(guò)程。每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可以利用認(rèn)知射頻接口，周期性地感知主用戶的頻譜信號(hào)并作出本地判決，以及一跳范圍內(nèi)其他認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的信道使用情況。因此在傳統(tǒng)RREQ消息內(nèi)容的基礎(chǔ)上，添加如下頻譜信息：本節(jié)點(diǎn)感知的主用戶頻譜信息表S_local，本地判決出的主用戶空閑頻譜信息表B_local，本節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的信道使用表C_one，如表1所示。其中主用戶各空閑頻譜的可用概率 P(H0)放于B_local中，該參數(shù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)該空閑頻譜上主用戶出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)計(jì)算。為了保證路由和頻譜信息的最新并執(zhí)行信道分配，設(shè)置目的節(jié)點(diǎn)唯一標(biāo)識(shí)為1，這樣RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)才可以回復(fù)路由應(yīng)答消息（RREP）。

表1 攜帶頻譜信息的RREQ幀格式

中間認(rèn)知節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息后，首先將該鄰節(jié)點(diǎn)納入本節(jié)點(diǎn)的協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇，并取出頻譜信息，添加或更新本節(jié)點(diǎn)的協(xié)同感知主用戶頻譜信息備處理表S_coop，主用戶空閑頻譜信息表B_coop，以及本節(jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)認(rèn)知用戶信道使用表C_two。然后，比較RREQ中的ID號(hào)和源地址以及判據(jù)值等，決定是轉(zhuǎn)發(fā)還是丟棄。

這樣，利用RREQ消息的廣播機(jī)制，每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)都對(duì)其傳播范圍內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)廣播RREQ消息，如圖1所示，節(jié)點(diǎn)A能夠獲得虛線框內(nèi)4個(gè)節(jié)點(diǎn)的RREQ消息。這樣每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)即可獲得周?chē)徆?jié)點(diǎn)感知的頻譜信息，包括各個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)周?chē)惶鴥?nèi)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的信道使用信息，從而建立本中間節(jié)點(diǎn)的3張頻譜信息表：S_coop、B_coop和C_two。

圖1 RREQ消息交換過(guò)程

4.2 路由應(yīng)答階段

目的節(jié)點(diǎn)D收到來(lái)自源節(jié)點(diǎn)S的RREQ請(qǐng)求消息后，沿著所選擇的最佳路徑回復(fù)路由應(yīng)答消息(RREP)，其中需攜帶本節(jié)點(diǎn)分配好的信道索引C_local，本節(jié)點(diǎn)的兩跳范圍內(nèi)認(rèn)知用戶信道使用表C_two。

中間認(rèn)知節(jié)點(diǎn)收到RREP消息后，首先將下游鄰節(jié)點(diǎn)的C_local和C_two與本中間節(jié)點(diǎn)的C_two進(jìn)行綜合，即可得到該中間節(jié)點(diǎn)與下游鄰節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的兩跳范圍干擾鏈路表C_inte，如表2所示。

表2 通信鏈路的兩跳范圍干擾鏈路表C_inte

此外，根據(jù)RREP的單播特性，該中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREP消息，周?chē)徆?jié)點(diǎn)包括上下游路由節(jié)點(diǎn)收到RREP消息后，獲知該路由路徑即將建立，而且存在路由節(jié)點(diǎn)在自己的一跳范圍內(nèi)，故需要自己提供本地感知的頻譜信息，以幫助該路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確地頻譜感知。因此在路由路徑沿線，以各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)為中心形成多個(gè)協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇，在后續(xù)路由活動(dòng)的一段時(shí)期內(nèi)進(jìn)行頻譜感知協(xié)作。協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇的形成如圖2所示，虛線框內(nèi)為以該路由節(jié)點(diǎn)為中心的協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇。然后，按照協(xié)同感知的數(shù)據(jù)融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到本中間節(jié)點(diǎn)周?chē)目臻e頻譜信息。最后，按照信道分配算法為該中間節(jié)點(diǎn)分配信道。

圖2 協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇的形成

4.3 路由維護(hù)階段

路由節(jié)點(diǎn)周期性廣播Hello消息，除了傳統(tǒng)的對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接確認(rèn)外，本文還給它附加協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇的維護(hù)功能。因?yàn)?CRN中路由節(jié)點(diǎn)和非路由節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及周?chē)h(huán)境的變化，需保持活動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)經(jīng)常被選擇更新，以在協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)保持一定數(shù)量有效的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。Hello消息中除傳統(tǒng)的內(nèi)容外，需攜帶該路由節(jié)點(diǎn)的C_local和C_two。收到Hello消息的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需回復(fù)一個(gè)Hello消息應(yīng)答幀，其內(nèi)容包括該認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的C_one，以備路由節(jié)點(diǎn)切換信道時(shí)使用。此外，收到Hello消息的上游路由鄰節(jié)點(diǎn)需更新該節(jié)點(diǎn)與下游鄰節(jié)點(diǎn)通信鏈路的C_inte。

當(dāng)某路由節(jié)點(diǎn)的信道不可用時(shí)，需要進(jìn)行信道切換，信道分配完成后發(fā)起一個(gè)Hello廣播，將本路由節(jié)點(diǎn)信道變更的結(jié)果通過(guò)Hello消息通知周?chē)徆?jié)點(diǎn)。

如果一定時(shí)間內(nèi)某協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有收到任何該中心路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息，則認(rèn)為該中心路由節(jié)點(diǎn)已經(jīng)失效，該協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)的成員自動(dòng)解散。同時(shí)該中心路由節(jié)點(diǎn)的上游節(jié)點(diǎn)核實(shí)是否有活動(dòng)路由使用該鏈路，以決定是否嘗試路由本地修復(fù)。

可見(jiàn)，頻譜信息的傳遞主要包括以下幾個(gè)階段：首先由路由請(qǐng)求過(guò)程發(fā)起，RREQ消息中攜帶感知的頻譜信息，在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行頻譜信息的交換；然后在路由回復(fù)階段，RREP消息中攜帶頻譜信息，在最佳路由路徑沿線形成以各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)為中心的協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇；最后在路由維護(hù)階段，Hello消息對(duì)協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇進(jìn)行維護(hù)。

5 數(shù)據(jù)融合算法

在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程啟動(dòng)之前，各個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可以周期性地對(duì)主用戶頻譜狀態(tài)進(jìn)行本地估計(jì)，以便為某些頻譜預(yù)測(cè)算法提供數(shù)據(jù)；當(dāng)協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇伴隨路由發(fā)現(xiàn)建立后，在各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)處則需利用協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)成員的頻譜感知信息對(duì)主用戶的頻譜狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。協(xié)同感知中的數(shù)據(jù)融合方法很多，基于文獻(xiàn)[2,9]，這里采用性能較好的基于Neyman-Pearson定理的軟判決融合。因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)不在具體的數(shù)據(jù)融合算法推導(dǎo)，所以這里主要闡述數(shù)據(jù)融合算法中的部分相關(guān)內(nèi)容，具體推導(dǎo)可參見(jiàn)所引文獻(xiàn)。

圖3所示為本文所采用的周期性頻譜檢測(cè)的幀格式，由位于幀前半部分的頻譜檢測(cè)時(shí)間τ和后半部分的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間T-τ兩部分組成。

圖3 周期性頻譜感知的幀結(jié)構(gòu)

假設(shè)存在 N個(gè)能量檢測(cè)樣本，i=1,2,…,N，認(rèn)知用戶的接收信號(hào)用 y(i)來(lái)表示，則頻譜感知主要是在下面2個(gè)假設(shè)中判斷主用戶頻譜的狀態(tài)：

其中，x(i)是主用戶的發(fā)射信號(hào)，h是主用戶發(fā)射機(jī)和認(rèn)知用戶接收機(jī)之間的信道系數(shù)，n(i)是均值為0，方差為的高斯白噪聲。

衡量頻譜感知性能的2個(gè)重要指標(biāo)是檢測(cè)概率Pd和虛警概率 Pf。其中，檢測(cè)概率 Pd是當(dāng)主用戶活動(dòng)且檢測(cè)結(jié)果為H1時(shí)的概率，而虛警概率Pf是當(dāng)主用戶不活動(dòng)但檢測(cè)結(jié)果為 H1時(shí)的概率。當(dāng)使用能量檢測(cè)法時(shí)，基于二元假設(shè)檢驗(yàn)原理，可以得到Pd和Pf的表達(dá)式[2]如下：其中，γ表示認(rèn)知用戶接收機(jī)的瞬時(shí)信噪比，ε為判決門(mén)限，fs為檢測(cè)頻率，Q(·)是標(biāo)準(zhǔn)高斯互補(bǔ)分布函數(shù)。將式(2)代入式(3)替換ε，得到給定檢測(cè)概率下的虛警概率為

對(duì)于各個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的本地?cái)?shù)據(jù)融合階段，可以采用不同時(shí)間的獨(dú)立測(cè)量樣本方法[2]，以便利用時(shí)間分集增益來(lái)提高檢測(cè)水平，如圖3所示，將檢測(cè)時(shí)間τ再分成多個(gè)獨(dú)立的子檢測(cè)時(shí)間Δτ即可；對(duì)于多個(gè)用戶協(xié)同感知階段，則可應(yīng)用Neyman-Pearson定理，得到最優(yōu)線性合作頻譜檢測(cè)方法。其中，體現(xiàn)各個(gè)用戶對(duì)最終判決貢獻(xiàn)多少的加權(quán)系數(shù)可以表示為

其中，wj為認(rèn)知用戶j的加權(quán)系數(shù)，M為協(xié)同感知的認(rèn)知用戶數(shù)量，hj是主用戶發(fā)射機(jī)和認(rèn)知用戶 j接收機(jī)之間的信道系數(shù)。利用該加權(quán)系數(shù)也可以對(duì)各合作節(jié)點(diǎn)本地判決的一些信息進(jìn)行加權(quán)利用，如主用戶空閑信道可用概率P(H0)，即

通過(guò)上面的數(shù)據(jù)融合判決，可以在本地或中心節(jié)點(diǎn)得到主用戶頻譜的忙閑狀態(tài)。而依據(jù)通信鏈路兩跳范圍內(nèi)鄰居認(rèn)知用戶信道使用表，統(tǒng)計(jì)共享每個(gè)信道的認(rèn)知用戶數(shù)量，可以推斷各空閑信道的認(rèn)知用戶負(fù)載輕重情況。綜合這2種情況，就可以得到各個(gè)信道上主用戶和認(rèn)知用戶的使用情況，從而為下一步的信道分配提供基礎(chǔ)。

6 信道分配算法

傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)用戶可以公平地競(jìng)爭(zhēng)信道，而認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中擁有信道優(yōu)先權(quán)的主用戶的出現(xiàn)隨時(shí)可能會(huì)中斷認(rèn)知用戶正在傳輸中的業(yè)務(wù)。此外，認(rèn)知用戶的接入也可能會(huì)造成已有認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)的性能下降。所以從保護(hù)主用戶通信角度，可以選擇在滿足一定檢測(cè)概率Pd要求的前提下，虛警概率Pf盡量小的信道。從認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)角度，在干擾范圍內(nèi)共享某空閑信道的鄰居認(rèn)知用戶越少，可以減少流內(nèi)干擾和流間干擾，避免對(duì)現(xiàn)有認(rèn)知用戶造成過(guò)多干擾。從主用戶對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的影響角度，主用戶不出現(xiàn)概率即信道可用概率 P(H0)越大，說(shuō)明認(rèn)知用戶獲得的傳輸機(jī)會(huì)越大。從各個(gè)認(rèn)知用戶自身角度，頻譜感知階段的檢測(cè)時(shí)間τ過(guò)長(zhǎng)，會(huì)縮短認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。將這些對(duì)吞吐量的影響因素綜合起來(lái)，可以得到認(rèn)知用戶選擇信道vj時(shí)的可獲得吞吐量為

其中，Cj為根據(jù)香農(nóng)公式算出的理論信道容量，(1-Pf)P(H0)為認(rèn)知用戶在該信道可獲得的傳輸機(jī)會(huì)概率，T-τ為除去認(rèn)知用戶感知靜默期后的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

考慮到qj個(gè)認(rèn)知用戶共享該信道對(duì)信道容量的影響，新認(rèn)知用戶加入后最終可獲得吞吐量為

對(duì)于多用戶協(xié)同感知，將式(5)引入式(4)，消去式(7)中的Pf得到

當(dāng)qj＝0時(shí)，即沒(méi)有鄰居認(rèn)知用戶共享此信道，此時(shí)新用戶可以取得全部可獲得吞吐量。

所以在主用戶和認(rèn)知用戶的共同影響下，新接入認(rèn)知用戶應(yīng)選擇空閑信道中最終可獲得吞吐量最大的信道，即形成如下最優(yōu)化問(wèn)題

其中，CHidle為根據(jù)數(shù)據(jù)融合算法和表S_coop計(jì)算出的主用戶空閑信道集。當(dāng)空閑信道數(shù)較少時(shí)，上述最優(yōu)化問(wèn)題可以采用窮舉法求解；當(dāng)空閑信道數(shù)較多時(shí)，可以通過(guò)分步限制信道負(fù)載輕重門(mén)限、信道可用概率門(mén)限等來(lái)減少信道數(shù)量，以減輕計(jì)算量。

此外，當(dāng)可用空閑信道數(shù)缺乏或已有空閑信道負(fù)載較重時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)降低給定的檢測(cè)概率來(lái)降低虛警概率，或調(diào)整檢測(cè)時(shí)間，以增加空閑信道數(shù)量。

當(dāng)已分配的主用戶空閑頻譜變得不可用時(shí)，認(rèn)知用戶需終止信息傳輸進(jìn)行退避。根據(jù)所屬協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇提供的信息重新對(duì)本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道分配，并通過(guò)Hello消息告知該簇內(nèi)成員，完成頻譜切換。

7 仿真及性能分析

為了驗(yàn)證本文所提出的按需協(xié)同感知和信道分配方法的有效性，采用系統(tǒng)歸一化控制開(kāi)銷(xiāo)和認(rèn)知用戶系統(tǒng)吞吐量作為評(píng)測(cè)性能指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置如下：一個(gè)(1 500m×1 500m)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，50個(gè)認(rèn)知用戶隨機(jī)分布在該區(qū)域里，共有8個(gè)非重疊主用戶信道，每個(gè)信道帶寬均為1Mbit/s。設(shè)定節(jié)點(diǎn)傳輸距離為250m，干擾距離為550m。假設(shè)隨機(jī)產(chǎn)生2～10條CBR數(shù)據(jù)流，速率均為256kbit/s。系統(tǒng)虛警概率設(shè)為0.1，每幀持續(xù)時(shí)間T=40ms，頻譜檢測(cè)時(shí)間 τ=3ms，PU 在每個(gè)信道上以一定概率隨機(jī)出現(xiàn)，故每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)某個(gè)信道的可用概率設(shè)為（40%，60%，80%）。假設(shè)每個(gè)認(rèn)知用戶接收機(jī)處的瞬時(shí)信噪比均為-10dB。仿真時(shí)間 1 000s，所有數(shù)據(jù)取自10次仿真結(jié)果的平均值。因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)不在數(shù)據(jù)融合的具體算法，故簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)融合部分仿真的復(fù)雜度。

設(shè)定信道可用概率為80%，在仿真時(shí)間內(nèi)歸一化控制開(kāi)銷(xiāo)的對(duì)比情況如圖4所示。傳統(tǒng)的AODV和頻譜協(xié)同感知的控制開(kāi)銷(xiāo)都低于本文所提算法（SA-AODV）所帶來(lái)的控制開(kāi)銷(xiāo)。分布式頻譜分配算法因?yàn)樾枰l譜信息的多次交換，才能達(dá)到最優(yōu)分配方案，必然引入大量開(kāi)銷(xiāo)，在這里沒(méi)有可比性，故省略該部分。然而僅AODV和頻譜協(xié)同感知兩部分曲線的加和就已經(jīng)與SA-AODV相當(dāng)，例如在信源點(diǎn)數(shù)為6時(shí)，二者加和3.4%+4.4%=7.8% 已經(jīng)超過(guò)SA-AODV的5.4%。

圖4 歸一化控制開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比

從圖5中可以看到，信道可用概率對(duì)認(rèn)知用戶的系統(tǒng)吞吐量的影響很大。當(dāng)CBR數(shù)據(jù)流為4條時(shí)，信道可用概率40%的系統(tǒng)比80%的系統(tǒng)吞吐量相差了近一倍。信道可用概率越低，說(shuō)明主用戶的出現(xiàn)次數(shù)越多，所以認(rèn)知用戶必須多次重新選擇信道，這必然會(huì)影響到認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)傳輸，從而引起吞吐量的降低。此外，CBR數(shù)據(jù)流的增多，也使得緊缺的信道資源面臨更大的競(jìng)爭(zhēng)，甚至干擾范圍內(nèi)多個(gè)認(rèn)知用戶共享一個(gè)信道的現(xiàn)象更普遍，所以吞吐量的增長(zhǎng)開(kāi)始放緩。

圖5 可用概率對(duì)吞吐量的影響

在圖6中，設(shè)定信道可用概率為80%，4條CBR數(shù)據(jù)流，認(rèn)知用戶的系統(tǒng)吞吐量伴隨頻譜的檢測(cè)時(shí)間變化，其曲線出現(xiàn)了一個(gè)峰值660kbit/s，隨后逐漸降低。這說(shuō)明存在一個(gè)最佳檢測(cè)時(shí)間，可以達(dá)到頻譜檢測(cè)性能和認(rèn)知用戶吞吐量的最佳折中。因?yàn)闄z測(cè)時(shí)間的降低必然引起虛警概率的提高，從式(3)中也可以印證這一點(diǎn)。然而在式(8)中，檢測(cè)時(shí)間和虛警概率又共同影響著吞吐量。

圖6 檢測(cè)時(shí)間對(duì)吞吐量的影響

在圖7中，設(shè)定信道可用概率為80%，可用信道數(shù)變化同樣會(huì)引起認(rèn)知用戶的系統(tǒng)吞吐量變化。因?yàn)樾诺罃?shù)減少，則會(huì)有更多的認(rèn)知用戶共享同一個(gè)信道，見(jiàn)式(8)，會(huì)引起信道容量下降很快。同時(shí)當(dāng)信道變得不可用時(shí)，多個(gè)認(rèn)知用戶都會(huì)受到影響，重新信道分配對(duì)業(yè)務(wù)的中斷也會(huì)影響系統(tǒng)吞吐量。

圖7 信道數(shù)對(duì)吞吐量的影響

8 結(jié)束語(yǔ)

本文將認(rèn)知用戶間的頻譜信息交互與路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)過(guò)程中的信令交互同時(shí)進(jìn)行，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的啟動(dòng)激發(fā)認(rèn)知用戶間的頻譜信息的交互，在RREQ消息中攜帶頻譜感知信息，在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行頻譜信息的交換，利用RREP消息的單播機(jī)制在最佳路由路徑沿線形成以各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)為中心的協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇，Hello對(duì)協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)簇進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)提出了最大化認(rèn)知用戶吞吐量的信道分配算法。通過(guò)仿真表明，公共控制信道的設(shè)計(jì)大大減少了系統(tǒng)控制開(kāi)銷(xiāo)，主用戶的出現(xiàn)概率、檢測(cè)時(shí)間、虛警概率和認(rèn)知用戶數(shù)等都對(duì)認(rèn)知用戶的吞吐量造成影響，印證了本文所提方案的正確性。

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