劉瑩，鄭黎，黎遠(yuǎn)松

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息工程系，四川 德陽 618000；2.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000）

認(rèn)知無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議中主用戶和次用戶的性能分析

劉瑩1，鄭黎1，黎遠(yuǎn)松2

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息工程系，四川 德陽 618000；2.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000）

針對(duì)認(rèn)知無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)（CRSN）中物理 層特性高度可變帶來的性能不確定性，在 CRSN 中 定義了兩種基礎(chǔ)性能指標(biāo)（帶寬和時(shí)延），并分析了基于載波偵聽多路訪問（CSMA）的介質(zhì)訪問控制協(xié)議的性能。 首先，在給定的主用戶（PU）業(yè)務(wù)模型 下 利用 CSMA 算 法 估 計(jì)單個(gè)次 級(jí) 用戶（SU）的 潛 在帶寬；然后，推導(dǎo)在 不 同業(yè)務(wù)信道同時(shí)傳輸多個(gè) SU 的聚合帶寬；最后，利用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模型 M／G／C 估計(jì)介質(zhì)訪問中的時(shí)延。 性能分析表明，通過使用分布式信道協(xié)作結(jié)合 CSMA 的并發(fā)傳輸，聚合帶寬可增加 5 倍，利用不同業(yè)務(wù)信道同時(shí) 傳輸明顯降低了分組時(shí)延。

認(rèn)知無線電；傳感器網(wǎng)絡(luò)；帶寬估計(jì)；時(shí)延估計(jì)；主用戶；次用戶

1 引言

CRSN （cognitive radio sensor network）［1］是 認(rèn) 知 無 線 電與 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 結(jié) 合 ， 相 比 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) （wireless sensor network，WSN），CRSN 不 僅 可 以 提 高 網(wǎng) 絡(luò) 資 源 的 利用效率，提供無線電通信兼容性和自適應(yīng)于無線網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)變化，更能適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下通信資源和通信手段的限制與反限制、攻擊與保護(hù)等。因此，CRSN 已得到各界的關(guān)注。

由于 CRSN 缺乏專用頻段，總 是 可 以動(dòng)態(tài)感 知 頻譜的訪問，因此必須阻止次級(jí)用戶以確保較好的網(wǎng)絡(luò)性能。由于連續(xù)變化的物理層特性和疊置協(xié)議的性能依賴帶寬和時(shí) 延［2］，因 此 估 計(jì) 認(rèn) 知 無 線 電 用 戶 的 性 能 具 有 重 要 的 意 義 。若傳輸或路由層的流準(zhǔn)入控制允許帶寬自發(fā)增加的流，服務(wù) 質(zhì) 量 （quality of service，QoS）可 能 會(huì) 急 劇 惡 化 ，因 此 提 供SU 吞吐量和時(shí)延的估計(jì)是不可或缺的，使其長(zhǎng)時(shí)間維持通信 協(xié) 議 的 性 能［3］，并 逐 漸 減 輕 動(dòng) 態(tài) 頻 譜 訪 問 的 缺 陷 。

本 文 在 給 定 主 用 戶 （primary user，PU）業(yè) 務(wù) 模 型 下 的 帶寬和時(shí)延指標(biāo)方面執(zhí)行了次級(jí)用戶（secondary user，SU）的性能分析，并研究其與各種因素的關(guān)系。采用了基于載波偵聽多 路 訪 問 （carrier sense multiple access，CSMA）的 介 質(zhì) 訪 問 控制（media access control，MAC）協(xié)議，使用專用控制信道來協(xié)商 SU 發(fā)送方與接收方之間的業(yè)務(wù)信道利用情況。SU 可利用認(rèn)知無線電同時(shí)訪問公共干擾區(qū)域中不同的業(yè)務(wù)信道，得到兩種性能指標(biāo)。其中，PU 屬 于一個(gè)高優(yōu)先級(jí) 隊(duì)列，而SU 組成一個(gè)低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，通過服務(wù)器或信道服務(wù)隊(duì)列，即僅當(dāng)隊(duì)列中 PU 數(shù)目少于信道數(shù)目時(shí)，服務(wù)低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。盡管 SU 的 帶寬有 限 ，通 過將 分 布 式 協(xié) 作 并 入 CSMA 方 案 ，SU 可 以并發(fā)傳輸，聚合吞吐量可增加 5 倍，時(shí)延顯著降低。

許 多 參 考 文 獻(xiàn) 對(duì) 時(shí) 延［4］和 吞 吐 量［5］估 計(jì) 方 面 的 性 能 進(jìn)行了分析，但很少關(guān)注通過公共控制信道運(yùn)行的認(rèn)知無線電 性 能 分 析［6］。例 如 ，參 考 文 獻(xiàn) ［7］將 PU 和 SU 建 模 為 優(yōu) 先級(jí)隊(duì)列，給 定 PU 最高 優(yōu)先 級(jí)，并提 出 了 基 于 CSMA 的自組 織 網(wǎng) 絡(luò) 介 質(zhì) 訪 問 控 制 協(xié) 議 性 能 的 分 析 方 案［8］，但 該 方 案沒有在 CRSN 中結(jié)合動(dòng)態(tài)信道訪問。參考文獻(xiàn)［9］提出了一種 包 含 一 個(gè) 主 用 戶 和 多 個(gè) 次 級(jí) 用 戶 的 M／G／1 系 統(tǒng) ，在 以 業(yè)務(wù)和信道條件為函數(shù)的時(shí)間段內(nèi)分析單信道或服務(wù)器上的時(shí)延和吞吐量，基于該分析，次級(jí)終端可視作時(shí)延終端，利 用 放 大 和 轉(zhuǎn) 發(fā) 時(shí) 分 多 址 （time division multiple address，TDMA）協(xié)議輔助主通信，該分析不能應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)易受許多PU 干擾的 CRSN，且 TDMA 很難在 CRSN 中實(shí)現(xiàn) 。參考文獻(xiàn) ［10］研 究 了 SU 的 數(shù) 據(jù) 分 組 時(shí) 延 ，分 析 了 比 SU 優(yōu) 先 級(jí) 更高 的 隊(duì) 列 。參 考 文 獻(xiàn)［11］通 過 頻 譜 感 知 和 重 傳 進(jìn) 行 性 能 分析，利用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算在各種重傳方案下分析主用戶和次級(jí)用戶的性能分布邊界，然后基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算進(jìn)行性能分析，獲得了積存和時(shí)延邊界的表達(dá)式。這些研究基于任意給定時(shí)間僅服務(wù)單一隊(duì)列的現(xiàn)象，忽略了公共干擾區(qū)域中 同 時(shí) 訪 問 多 信 道 的 潛 力 。參 考 文 獻(xiàn)［12］使 用 流 隊(duì) 列 理 論研究了 SU 的時(shí)延，分 析了 SU 的穩(wěn)定狀 態(tài) 隊(duì) 列長(zhǎng)度 及 基于 SU 的兩個(gè)認(rèn)知無線電接口，但由于節(jié)點(diǎn)的大小和成本問題，無法應(yīng)用于 CRSN。

在次級(jí)用戶吞吐量分析性能方面，一些介質(zhì)訪問控制算法按照它們的設(shè)計(jì)方法分析吞吐量。例如，參考文獻(xiàn)［13］通過一個(gè)活躍用戶限制帶寬，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)多空閑信道的可用性，以獲得認(rèn)知無線電用戶的潛在帶寬?；诠β屎退俾?自 適 應(yīng) CSMA 的 協(xié) 議［14］分 析 了 潛 在 帶 寬 ，可 同 時(shí) 與 PU通信，然而信道同時(shí)訪問的探索不能用于聚合帶寬。參考文 獻(xiàn) ［15］分 析 了 SU 性 能 ，將 信 道 建 模 為 搶 占 式 隊(duì) 列 服 務(wù)器，允許 PU 從 SU 搶占信道，但只研究了 時(shí)延，未 研究 帶寬?；谏鲜龇治觯F(xiàn)有的方案不能以更嚴(yán)格的方式提供SU 性能分析，無法促進(jìn)高層協(xié)議的運(yùn)行。因此，本文在帶寬和時(shí)延方面執(zhí)行了次級(jí)用戶的性能分析。

2 系統(tǒng)建模

本節(jié)描述了用于分析性能的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的基本假設(shè)，與 SU 不同，PU 是頻譜的多特權(quán) 用戶。 SU 節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)感知頻 譜 信道，并將頻 譜 信 道切換 至 與 PU 通 信的空 閑 信道。SU 節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)專門的公共控制信道協(xié)商潛在控制信道的利用情況，誘導(dǎo)公共控制信道的競(jìng)爭(zhēng)，從而協(xié)調(diào)數(shù)據(jù) 信 道 。這 點(diǎn) 與 IEEE 820.11 MAC 中 數(shù) 據(jù) 通 信 共 享 介 質(zhì) 不同，否則 SU 將不知道它們鄰居利用當(dāng)前信道的情況。

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)傳輸半徑為 r m 的網(wǎng)絡(luò)中部署了 N 個(gè) SU，在 A m2區(qū)域內(nèi)，由 N／A 獲 得節(jié)點(diǎn)密度 ρ，且 節(jié) 點(diǎn) 配 備 有 1 個(gè) 單 一 的 接口組件，按機(jī)會(huì)切換訪問C個(gè)業(yè)務(wù)信道和1個(gè)公共控制信道，除了 SU，還有 M 個(gè) PU，如圖 1 所示。 可認(rèn)為認(rèn)知無線電網(wǎng) 絡(luò)均勻 ，其 活 躍 度 呈 指 數(shù) 分 布 ，on 狀 態(tài) 持 續(xù) τons，off狀 態(tài)持 續(xù) τoffs，平 均 到 達(dá) 率 為 λp。因 為 每 個(gè) PU 獨(dú) 立 到 達(dá) ，每 次 轉(zhuǎn)換 遵 循 泊 松 分 布 ，因 此 ，on 和 off周 期 呈 指 數(shù) 分 布［16］。 本 文 還假 設(shè) PU 的 信 道 不 飽 和 ，使 得 Mτon＜C（τon+τoff）。

圖1 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的集中協(xié)作頻譜檢測(cè)

令 SU 為到達(dá)率為 λs的泊松分布，假設(shè) SU 的傳輸方 式為非搶占式，由于無線收發(fā)器不能同時(shí)發(fā)送和接收，即 SU在釋放信道之前完成傳輸。因此，可能會(huì)對(duì) PU 產(chǎn)生干擾或延遲 PU 的 傳 輸 ?？?以 通 過 合 適 的 SU 傳 輸 功 率 進(jìn) 行 控 制［8］。

2.2 基于 CSMA 的 MAC 協(xié)議

假設(shè) SU 用 CSMA 進(jìn) 行 介 質(zhì)訪問 ，并 用 于評(píng) 估 CRSN中 MAC 地 址 的 性 能 。 基 于 CSMA 的 MAC 協(xié) 議 是 IEEE 802.11 MAC 的 自 定 義 版 本 ， 該 MAC 用 于 解 決 SU 之 間 業(yè)務(wù)協(xié)商的公共控制信道上的競(jìng)爭(zhēng)。節(jié)點(diǎn)試圖發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組，首先在信道列表中選擇一個(gè)空閑信道，并初始化其頻譜感知過程。找到空閑信道后，停止感知并將結(jié)果報(bào)告給介質(zhì)訪問算法。假設(shè)平均感知周期為，用于尋找空閑信 道［7］。MAC 算 法 如 下 所 示 ：

· 傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn) ni在物理層初始化頻譜感知算法，并確定在較低噪聲或較高空閑率時(shí)C個(gè)信道之間最適合的業(yè)務(wù)信道；

· 轉(zhuǎn)向公共控制信道并感知載波，若載波忙則運(yùn)行指數(shù)退避算法，等待隨機(jī)退避周期；

· 若 ni找到空閑信道，則等待分布式幀間間隔周期，并發(fā)送包含空閑信道 hi的業(yè)務(wù)信道請(qǐng)求信標(biāo)；

· 節(jié)點(diǎn) nj接 收 C-RTS 信 標(biāo) ，并在空 閑信 道 列 表 中 尋找可用的 hi或進(jìn)行頻譜感知，確定其狀態(tài)，這可能花費(fèi)

· 若 nj找 不 到 空 閑 信 道 hi，則 報(bào) 告 自 己 優(yōu) 選 的 信 道 hj；

· hj等 待 短 幀 間 間 隔 （SIFS）或后 ，每 當(dāng) 最 大 值 是max（SIFS）時(shí) ，發(fā) 送 CCTS 信 標(biāo) 到 ni，以 獲 知 信 道 hi的 可 用 性 并 轉(zhuǎn) 向 hi；

· 當(dāng) hi接 收 到 CCTS 并 找 到 通 知 的 信 道 hi時(shí) ，若 hi=hj，則轉(zhuǎn)向 hi，否則為 hj初始化頻譜感知并重復(fù)該過程；

· 兩 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 均 轉(zhuǎn) 向 協(xié) 商 的 業(yè) 務(wù) 信 道 hi，由 ni進(jìn) 行 數(shù) 據(jù)傳輸 ，若感知 到信號(hào)空閑，ni等待 DIFS 周 期并發(fā)送Tf周 期 的 data 幀 ；否 則 轉(zhuǎn) 向 公 共 控 制 信 道 ，在 另 一信道重復(fù)該過程；

· nj接 收 幀 ，等 待 SIFS 周 期 ，發(fā) 送 D-ACK 消 息 ，轉(zhuǎn) 向公共信道；

· 任意 接近 ni的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽 C-RTS，不利用請(qǐng)求信標(biāo)中學(xué) 習(xí) 到 的 信 道 hi，類 似 地 監(jiān) 聽 C-CTS 的 節(jié) 點(diǎn) ， 在 它們 的 下 一 幀 傳 輸 中 不 訪 問 信 道 hj。

因此，一對(duì) SU 通過公共控制信道協(xié)商業(yè)務(wù)信道后，切換到允許其他競(jìng)爭(zhēng)者初始化協(xié)商的業(yè)務(wù)信道，并在業(yè)務(wù)信道上參與傳輸。因此，允許 SU 同時(shí)訪問空閑信道，使它們有機(jī)會(huì)增加聚合帶寬。

3 基于 CSMA 的 MAC 協(xié)議性能分析方案

本文側(cè)重于 研究 CRSN 中的 帶寬和 時(shí) 延 ，并 利用基于CSMA 的 MAC 協(xié)議分析 其 性 能。對(duì) 于 帶 寬估計(jì)，推 導(dǎo) PU業(yè)務(wù)模型可實(shí) 現(xiàn)的帶寬與 SU 密度以外 PU 密 度 之間的關(guān)系，運(yùn)用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列分析介質(zhì)訪問中的時(shí)延，分配給 PU的優(yōu)先級(jí)更高，并將其分配到更高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列。

3.1 帶寬分析

基于第 2.2 節(jié)描 述 的 CSMA 算法 執(zhí) 行 帶寬估計(jì) ，首 先評(píng)估單個(gè) SU 的潛在帶寬，然后推導(dǎo)在不同業(yè)務(wù)信道同時(shí)傳輸多個(gè) SU 的聚合帶寬，給定 PU 業(yè) 務(wù)模 型 ，處 于占用狀態(tài)信道的概率為：

隨著 PU 總數(shù)的增加，活躍狀態(tài)的概率依次增加。活躍狀態(tài)的概率隨著信道數(shù)目的增加而減少，因此有：

類 似 地 ，處 于 空 閑 狀 態(tài) 的 信 道 的 概 率 為 Poff=1-Pon。令 T為 SU 發(fā)送最大幀時(shí)的傳輸周期。

SU 初始化傳輸時(shí)有兩種情況：

（1）PU 不活躍且判斷接收到的信號(hào)時(shí)沒有誤報(bào)，則在真實(shí)檢測(cè)到的空閑信道上可達(dá)到的數(shù)據(jù)速率為：

其中，Pf表示虛警率表示發(fā)生在公共控制信道上，發(fā) 送 器和 接 收 器 之 間 除 了 CSMA 開 銷 之 外 協(xié) 商 業(yè) 務(wù) 的平均 時(shí) 間 開 銷 ，且 PU 可 在 T 周 期 內(nèi) 任 意 時(shí) 刻 到 達(dá) ，因 此 ，產(chǎn)生的干擾在概率下 逐 漸 收 斂 于 （1-Poff）T ，其中，θ1是縮放因子。

（2）PU 活躍，但由于頻譜感 知 誤 差，SU 并 未 檢測(cè)到。錯(cuò) 誤 感 知 空 閑 信 道 期 間 實(shí) 現(xiàn) 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸 速 率 Rf（t）為 ：

Pf表示檢測(cè)率，整個(gè)幀周期內(nèi) PU 保持活躍的概率為

因此，t時(shí)刻任 意信道上可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率 R（t）為 ：

可 實(shí) 現(xiàn) 的 總 速 率 為 Rs（t）和 Rf（t）的 總 和 。

接 著 計(jì) 算 業(yè) 務(wù) 信 道 協(xié) 商 及 CSMA MAC 中 執(zhí) 行 傳 輸 需要的平均時(shí)間開銷，給定節(jié)點(diǎn)密度，彼此沖突范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù) Nc在 傳 輸 范 圍 r 內(nèi) 為 ρ×πr2。因 此 ，CSMA 技 術(shù) 中 Nc個(gè)競(jìng) 爭(zhēng) 節(jié) 點(diǎn) 第 k 次 成 功 傳 輸 的 概 率 ps（k）為［11］：

其中，Q 表示假設(shè)介質(zhì)不可用之前允許的最大重傳次數(shù)，δ表示競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙長(zhǎng)度，因此，公共控制信道的平均協(xié)商時(shí)延為：

其 中 ，Trts和 Tcts分 別 為 RTS 和 CTS 幀 時(shí) 延 ， 表 示 SU在協(xié)商數(shù)據(jù)信道上開始數(shù)據(jù)傳輸之前平均花費(fèi)

3.2 時(shí)延分析

通過優(yōu)先級(jí)隊(duì)列系統(tǒng)分析 CRSN 中的時(shí) 延 ，在 這 個(gè)系統(tǒng) 里 ， 為 PU 設(shè) 置 高 優(yōu) 先 級(jí) 隊(duì) 列 （high priority queue，HPQ），為 SU 設(shè) 置 低 優(yōu) 先 級(jí) 隊(duì) 列 （low priority queue，LPQ）。假設(shè)系統(tǒng)中服務(wù)器的數(shù)目為可能信道的數(shù)目，使得任意服務(wù)器可服務(wù)任意隊(duì)列。圖 2 表示用于建模 CRSN 的優(yōu)先級(jí)隊(duì) 列系統(tǒng)，數(shù)據(jù) 分 組 的等待時(shí) 間 包 括 3 部 分 ：隊(duì) 列 中 等待控制信道訪問花費(fèi)的時(shí)間 Tq、采集和協(xié)商數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道的信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間 Tn和業(yè)務(wù)信道上的平均服務(wù)時(shí)間 （傳輸時(shí)間）Td。對(duì)于 HPQ 和 LPQ，根 據(jù) 先 進(jìn) 先 服 務(wù) （first coming first service，F(xiàn)CFS）原則服務(wù)數(shù)據(jù)分組，但僅當(dāng) HPQ 中沒有數(shù)據(jù)分組時(shí)，LPQ 的數(shù)據(jù)分組開始傳輸。已知數(shù)據(jù)分組依據(jù)泊松分布到達(dá)，且 CSMA MAC 中數(shù) 據(jù)分組 的服 務(wù)時(shí)間 呈指 數(shù)形式 ，本文利用 M／G／C 系統(tǒng)分析 CRSN 中出現(xiàn)的時(shí)延，其中，C是競(jìng)爭(zhēng)無線電中允許同時(shí)傳輸?shù)姆?wù)器（信道）總數(shù)。

圖2 用于時(shí)延分 析 的 CRSN 優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模型

PU 活 躍 期 間 （即 Ton），SU 不 可 能 獲 得 任 何 傳 輸 機(jī) 會(huì) ，除非 PU 信號(hào)弱或錯(cuò)誤 檢測(cè) 概 率高。因 此 ，由 于 C 個(gè)信 道上 M 個(gè) PU 的 非 空 HPQ，SU 的 等 待 時(shí) 間 為 τon×Pon， 假 設(shè)PU 的 服 務(wù) 時(shí) 間 Ta為 on 周 期 內(nèi) 扣 除 SU 錯(cuò) 誤 檢 測(cè) 概 率 的比 例 ，即 τon（1-pm），因 為 PU 必 須 等 待 SU 幀 傳 輸 Tf完 成 ，HPQ 中 PU 的等待時(shí)間為：

其 中 ，ρp=Taλp／C，表 示 PU 信 道 利 用 系 數(shù) ，即 Ta=ρpC／λp，代入式（12）可改寫為：

對(duì)于 SU，到達(dá)數(shù)據(jù)分組的等待時(shí)間不僅依賴 HPQ 和LPQ 中到達(dá)的數(shù)據(jù)分組，且依賴主用戶上到達(dá)的子序列，因此，計(jì)算中必須包括這個(gè)時(shí)延，所以 SU 的低優(yōu)先級(jí) 隊(duì)列的等待時(shí)間為：

簡(jiǎn)化為：

其 中 ，ρs=Tdλs是 SU 的 信 道 利 用 率 ， 若 假 設(shè) 每 對(duì) 競(jìng) 爭(zhēng) SU 有足夠信道數(shù)目可用，即，則取所以，當(dāng)在公共控制信道上協(xié)商后 SU 同時(shí)在不同信道發(fā) 送不同數(shù)據(jù)時(shí)，可獲得 SU 在 C 個(gè)可能服 務(wù) 器或信道 上 傳 輸?shù)臅r(shí)延，因此，式（17）可改寫為：

因此，由 式 （18）獲 得 的 SU 的 數(shù) 據(jù) 分 組 時(shí) 延 依 賴 PU利用的業(yè)務(wù)信道以及訪問業(yè)務(wù)信道的控制信道協(xié)商周期，具體見表 1。

表1 模型中的變量及定義

4 性能分析

PU 業(yè)務(wù)模型的各種參數(shù)值見表 2。均勻部署 SU，節(jié)點(diǎn)密度隨節(jié)點(diǎn)傳輸范圍變化而變化，且 PU 隨機(jī)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的不同點(diǎn)，在隨機(jī)選擇的信道上活躍。 SU 連續(xù)搜索信道可用性并在 MAC幀傳輸前保持更新信道列表。本文的貢獻(xiàn)在于 MAC 協(xié)議的性能分析而 不是 MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)，所有實(shí)驗(yàn)分析均在 MATLAB 環(huán)境中執(zhí)行。

表2 參數(shù)設(shè)置

4.1 單節(jié)點(diǎn)帶寬

在 PU 的 各 種 空 閑 周 期 τoff和 工 作 周 期 τon值 下 改 變 數(shù)據(jù)幀周期 Tf可以獲得單個(gè) SU 帶 寬，如 圖 3 所示，其 中 ，τon=（1-τoff）s，M=20，C=20，Nc=15。從 圖 3 中 可 以 看 出 ，剛 開始 SU 的 帶 寬 隨 著 Tf的 增 加 而 增 加 ，約 100 ms 處 達(dá) 到 最大 值 ，之 后 隨 著 Tf繼 續(xù) 增 加 而 降 低 ，減 少 趨 勢(shì) 依 賴 τoff值 的大 小 。τoff=0.8 時(shí) ，降 低 幅 度 最 大 ，約 22% 。但 在 τoff=0.2 時(shí) 可忽略，這是 由于 SU 傳輸過程中遇到來自 PU 的干擾，因此Tf增加也不影響帶寬。假設(shè) SU 節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽公共控制信道獲知業(yè)務(wù)信道的利用情況。在較長(zhǎng)幀周期的情況下，業(yè)務(wù)信道上的傳輸更容易遇到?jīng)_突和干擾，因?yàn)樾?SU 很有可能不監(jiān)聽控制 信道上的 CSMA 消息，故本文沒有在業(yè)務(wù)信道上采用 CSMA。

圖3 SU 的單個(gè)節(jié)點(diǎn)帶寬

類似地，通過改 變 虛 警 概 率 Pf，各 種 PU 傳 輸 周 期 值τon的 帶 寬 如 圖 4 所 示 ，其 中 ，0.2≤τon≤0.8，且 τoff=1-τon。從圖 4中可以看出，虛警概率的增加導(dǎo)致帶寬變化明顯。當(dāng)τon=0.8 s，Pf=0.1 時(shí) 帶 寬 接 近 0，但 當(dāng) τon=0.2 s 時(shí) ，帶 寬 明 顯變高。PU 的活動(dòng)周期或虛警概率越高，帶寬越低。因此，為了保證較高的帶寬，需要 保 證 較短的 PU 活 躍 周 期和較低的虛警概率。

圖4 PU的單個(gè)節(jié)點(diǎn)帶寬

改 變 空 閑 周 期 τoff可 以 獲 得 公 共 沖 突 范 圍 內(nèi) 的 聚 合 帶寬 ，如 圖 5 所 示 ，其 中 ，M=20，C=20，Nc=15，Tf=50 ms。τon=1 s時(shí) ，聚 合 帶 寬 隨 τoff的 增 加 而 線 性 增 加 ，但 τon=0.25 s 時(shí) ，呈指數(shù)增加。獲得 的 聚 合帶寬是 單 個(gè) SU 帶 寬 的 5 倍 ，因此通 過 在 控 制 信 道 上 使 用 CSMA MAC 協(xié) 商 信 道 允 許 多 個(gè)SU 同時(shí)傳輸，可有效利用頻譜。

圖5 改 變 τoff后 SU 的 聚 合 帶 寬

幀 持 續(xù) 時(shí) 間 也 影 響 可 實(shí) 現(xiàn) 的 帶 寬 以 及 Ton和 Toff，圖 6所示為通過改變 SU 密度獲得的在 各種 Tf值 處的聚合帶寬 ，其 中 ，τoff=0.5 s，τon=0.5 s，M=20，C=20。從 圖 6 可 看 出 ，隨著 SU 數(shù)目 的 增 加，由于感知 和 利用到的 傳 輸 機(jī)會(huì)的數(shù)目的增加，聚合帶寬顯著增加。但 40 個(gè)用戶 趨勢(shì)變平滑，因?yàn)轭l譜可用性變?yōu)槠款i，而且在較大的數(shù)據(jù)幀周期 Tf內(nèi) 實(shí) 現(xiàn) 的 帶 寬 更 大 ，Tf增 加 4 倍 ，即 從 10 ms 到 40 ms，帶寬約增加 2 倍。對(duì)于更大的 Tf值，該增加不能持續(xù)，如圖 3所示。因此，利用認(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)切換至不同信道的能力，可顯著提高聚合帶寬。

圖6 改變幀周期時(shí)SU的聚合帶寬

4.2 多信道訪問中的時(shí)延

為了評(píng)估認(rèn)知無線電訪問多個(gè)信道的潛力，針對(duì)給定數(shù)目的信道在各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景下執(zhí)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

（1）保 持 PU 數(shù)目不變，在 PU 的不同活躍周期下改變SU 的到達(dá)率

記 錄 時(shí) 延 情 況 ，如 圖 7 所 示 。其 中 ，τoff=0.5 s，τon=0.5 s，M=20，C=20。當(dāng) τon=0.15 s 和 τon=0.30 s 時(shí) ，在 較 低 PU 活躍度下，SU 的所有可用信道均得到充分利用，使得 SU 幀周 期具 有 非常小的 時(shí) 延，這是由于 SU 公共控 制 信道協(xié)商后 ，在低 PU 活躍度 下 同 時(shí)利用 了 各 種可用控 制 信道。反之 ，參 考 文 獻(xiàn) ［14］中 的 時(shí) 延 開 始 呈 線 性 增 加 ，甚 至 在 低 PU活 躍度下，隨著 SU 數(shù)目的增加 ，并 不適用于 CRSN。盡管本 文方 法 剛開始時(shí) 延 隨著 SU 數(shù) 目的增加 呈 指數(shù)增加 ，卻只 發(fā) 生 在 較 高 PU 活 躍 度 處 ，即 τon=0.6 s。因 此 ，能 夠 以 較低的時(shí)延同時(shí)訪問多個(gè)信道，證明了 CRSN 良好的性能。

圖7 改變 LPQ 中 SU 到 達(dá) 率 時(shí) SU 的數(shù)據(jù)分組時(shí) 延

（2）在 各 種 SU 幀 周 期 下通過 改 變 PU 的數(shù)目分 析 SU的時(shí)延

在較低幀周 期 處，服務(wù)率較 高 ，導(dǎo) 致 LPQ 中 隊(duì)列等待時(shí) 間 較 短 ，如 圖 8 所 示 ， 其 中 ，τoff=0.5 s，τon=0.5 s，Nc=10，C=20。對(duì) 于 Tf=10 ms 和 Tf=20 ms，觀 察 到 的 平 均 數(shù) 據(jù) 分 組時(shí)延接近較低 PU 到 達(dá)率時(shí)的幀 周期，隨著 PU 數(shù) 目 的 增加 ，時(shí) 延 增 加 到 100 ms。但 對(duì) 于 較 大 的 幀 周 期 ，該 增 加 有多 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ，當(dāng) Tf=40 ms 時(shí) 呈 指 數(shù) 形 式 增 加 。因 此 ，為 了獲得較小時(shí)延，應(yīng)保持較小的 SU 幀周期，從而 改善 LPQ的服務(wù)率。

圖8 改變LPQ中PU數(shù)目時(shí)的數(shù)據(jù)分組時(shí)延

此外，通過 改變 PU 的活躍 周期分 析了 PU 活躍度 對(duì)SU 數(shù) 據(jù) 分 組 時(shí) 延 的 影 響 ，如 圖 9 所 示 ，其 中 ，τon=0.5 s，M=20，C=20，Nc=10。觀 察 到 的 趨 勢(shì) 與 圖 8 的 趨 勢(shì) 類 似 ，其中，在較高活躍周期處，時(shí)延呈指數(shù)增加，因?yàn)樗^50% 的 時(shí) 間 間 隔 ，但 是 ，若 幀 周 期 較 小 ，Tf≤20 ms，則 時(shí)延 低 至 200 ms，但 吞 吐 量 降 低 了 。因 此 ，在 各 種 PU 業(yè) 務(wù)場(chǎng)景下估計(jì) SU 數(shù)據(jù)分組時(shí) 延，通過 改變 SU 幀 周期可 以進(jìn)行控制。

圖9 改變PU 活躍周期時(shí)SU的數(shù)據(jù)分組時(shí)延

5 結(jié)束語

本 文 在 給 定 的 PU 業(yè) 務(wù) 模 型 下 為 SU 制 定 了 性 能 指標(biāo)：帶寬和時(shí)延，研究了其與動(dòng)態(tài)變化的各種參數(shù)的關(guān)系?；?MAC 協(xié)議，利用專用控制信道協(xié)商 SU 的發(fā)送方與接收方之間的業(yè)務(wù)信道利用情況。分析結(jié)果表明，通過分布式信道協(xié)作結(jié)合 CSMA 的并發(fā)傳輸，聚合帶寬增加了 5倍，且 在 較 高 PU 活躍度 下 ，SU 到數(shù) 據(jù) 分 組 的 時(shí) 延 非 常 低，通過改變各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：幀周期、SU 數(shù)目和 PU 活躍度，數(shù)據(jù)分組時(shí)延可以得到有效控制。

通過 在 CRSN 中 同時(shí)利用不 同的可 用信 道研究 了 認(rèn)知無線電的性能，未來會(huì)將其應(yīng)用于其他帶有 QoS 指標(biāo)或?qū)?yīng)用程序有特定需求的新領(lǐng)域。

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Performance evaluation of primary user and secondary user based on CSMA protocol in CRSN

LIU Ying1，ZHENG Li1，LI Yuansong2
1.Department of Electrical Information Engineering，Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China 2.School of Computing，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China

For the problem of uncertainty owing to the highly variable physical layer characteristics in cognitive radio sensor networks （CRSN），two fundamental performance metrics （bandwidth and delay）were formulated and the performance of medium access control protocol based on CSMA was analyzed.Firstly，CSMA algorithm was used to estimate potential bandwidth of secondary user under the given PU traffic model.Then，aggregated bandwidth of multiple SU simultaneous transmitting within different business channels was derived.Finally，the priority queue model M／G／C was used to analyze the delay of MAC.Performance analysis shows that dedicating a common control channel for SU enhances their aggregated bandwidth approximately five times and the packet delay reduces significantly through the possibility of concurrent transmissions on different traffic channels.

cognitive radio，sensor network，bandwidth estimation，delay estimation，primary user，secondary user

s：Fund of Key Laboratories of Universities in Sichuan Province （No.2014WZY05），Plan Fund of Wisdom Tourism Research Base in Sichuan Province （No.ZHY15-01）

TP393

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016093

劉瑩（1981-），女，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息工程系講師，主要研究方向?yàn)闊o線電網(wǎng)絡(luò)、WSN 等。

鄭黎（1981-），男，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息工程系講師，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)、信息安全等。

黎遠(yuǎn)松（1970-），男，四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等。

2016-01-07；

2016-03-08

四 川 省 高 校 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 基 金 資 助 項(xiàng) 目 （No.2014WZY05）； 四 川 省 智 慧 旅 游 研 究 基 地 規(guī) 劃 基 金 資 助 項(xiàng) 目 （No.ZHY15-01）