羅守志　于林韜　朱一峰

摘要：針對(duì)5G頻譜資源短缺問(wèn)題，本文提出了一種混合式雙工的隨機(jī)MAC頻譜共享算法。利用基于機(jī)會(huì)概率（OP）的隨機(jī)MAC，提出了混合半雙工 / 全雙工通信模型，其中每對(duì)的雙工模式由OP值動(dòng)態(tài)確定。通過(guò)仿真證實(shí)了算法可行性，并證明了其具有比傳統(tǒng)系統(tǒng)高4倍的系統(tǒng)吞吐量。這對(duì)未來(lái)頻譜資源的利用顯示出巨大的潛力。

關(guān)鍵詞：5G；頻譜共享；混合式雙工；隨機(jī)MAC

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0125-02

1 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信用戶的快速增長(zhǎng)使得頻譜資源的供需矛盾日益突出[1]。頻譜資源的稀缺和頻譜利用不均衡的問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到了5G技術(shù)的發(fā)展[2]。這可以通過(guò)頻譜共享來(lái)解決，其允許利用率低的頻譜接入使用[3]。為此，共享網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤頻譜使用程度。

2 系統(tǒng)模型

針對(duì)準(zhǔn)確的頻譜感知還存的諸多限制，本文提出了一種新的共享模型，預(yù)測(cè)未安裝傳感器的位置處的頻譜使用級(jí)別，并將訪問(wèn)機(jī)會(huì)級(jí)別表示為概率，即機(jī)會(huì)概率（OP）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)OP值隨機(jī)決定是否接入頻譜。從而，提出了基于機(jī)會(huì)概率的介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）策略，可以通過(guò)減少在高OP值區(qū)域中的并發(fā)傳輸來(lái)解決傳輸沖突問(wèn)題，同時(shí)保證了能量效率。

3 混合式雙工隨機(jī)MAC頻譜共享算法

為了克服主次節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)攻擊問(wèn)題，我們提出了基于傳感器的隨機(jī)MAC決策的機(jī)會(huì)算法，在一定程度的概率滿足足夠的閾值時(shí)，即使主要性能保證程度較低，也能進(jìn)行通信（表1）。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 隨機(jī)MAC分析

如圖2實(shí)線所示，隨著接入閾值的增加，系統(tǒng)吞吐量和次節(jié)點(diǎn)的吞吐量略有下降，而主節(jié)點(diǎn)增加。其中，主節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的概率為0.4，與次節(jié)點(diǎn)相比，顯示主節(jié)點(diǎn)的吞吐量下降，而次節(jié)點(diǎn)吞吐量包括兩個(gè)可以在全雙工模式下工作的成對(duì)節(jié)點(diǎn)吞吐量。圖1顯示了節(jié)點(diǎn)的誤碼率，證明了主節(jié)點(diǎn)的BER減小而次節(jié)點(diǎn)增加。我們?cè)谥鞴?jié)點(diǎn)的BER圖中只考慮了0.4的傳輸概率，并且確認(rèn)了主節(jié)點(diǎn)可以在足夠的接入閾值以上受到保護(hù)。

4.2 確定性MAC分析

根據(jù)圖2的結(jié)果，確定性值為0.5的虛線顯示，節(jié)點(diǎn)根據(jù)OP是否大于0.5來(lái)決定傳輸。次節(jié)點(diǎn)在低OP時(shí)開(kāi)始停止傳輸信號(hào)，接入閾值為0，這代表主節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)母呖赡苄?。因此，它?huì)降低系統(tǒng)和次節(jié)點(diǎn)的吞吐量，同時(shí)增加主節(jié)點(diǎn)的吞吐量。因此，主節(jié)點(diǎn)的吞吐量增加高于隨機(jī)MAC決策，而次節(jié)點(diǎn)降低，因?yàn)榇_定性MAC不允許收發(fā)器傳輸信號(hào)。同樣，確定性值為0.7的點(diǎn)線顯示，如果從-3到2的接入閾值中存在主節(jié)點(diǎn)的傳輸，則次節(jié)點(diǎn)不傳輸信號(hào)。當(dāng)接入閾值為3，確定性MAC停止，無(wú)論主節(jié)點(diǎn)是否正在發(fā)送信號(hào)，次節(jié)點(diǎn)都更頻繁地發(fā)送信號(hào)。

總之，與表示沒(méi)有任何次節(jié)點(diǎn)的主節(jié)點(diǎn)的吞吐量的虛/點(diǎn)線相比，主節(jié)點(diǎn)在高接入閾值或適當(dāng)?shù)拇_定性值處保證是理想值，但是隨機(jī)MAC應(yīng)該考慮有一些性能下降。然而，從系統(tǒng)級(jí)角度來(lái)看，隨機(jī)MAC確保穩(wěn)定的高性能，即使是單對(duì)分析，而確定性MAC則表現(xiàn)出相對(duì)低得多的性能。此外，由于接入閾值是傳輸要求，因此基于結(jié)果迭代地控制接入閾值并非易事。故，受接入閾值影響較小且通常提供良好結(jié)果的隨機(jī)MAC優(yōu)于確定性MAC，而確定性MAC根據(jù)接入閾值偶爾產(chǎn)生良好結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種混合式雙工的隨機(jī)MAC頻譜共享算法。以概率的方式表示頻譜使用級(jí)別，即機(jī)會(huì)概率（OP）。在機(jī)會(huì)概率基礎(chǔ)上，提出了隨機(jī)MAC策略，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)以與OP值成正比的概率接入頻譜，并驗(yàn)證了其可行性。利用基于機(jī)會(huì)概率的隨機(jī)MAC，還提出了混合半雙工 / 全雙工通信模型，其中每對(duì)的雙工模式由OP值動(dòng)態(tài)確定。通過(guò)仿真，我們證實(shí)了所提出的算法的可行性，并證明了其具有比傳統(tǒng)系統(tǒng)高4倍的系統(tǒng)吞吐量。這對(duì)未來(lái)頻譜資源的利用顯示出巨大的潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]本刊訊.IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布5G技術(shù)白皮書[J].中國(guó)無(wú)線電，2015，（5）.

[2]小火車，好多魚.大話5G[M].電子工業(yè)出版社，2016.

[3]周鈺哲.我國(guó)頻譜共享的可行性研究與推進(jìn)建議[J].電信科學(xué)，2016，32（5）：146-151.