摘  要： 提出了一種小型認知無線網絡的頻譜協(xié)同感知方法，并在此基礎上設計了一種小型認知無線網絡的通信協(xié)議。通過協(xié)議程序復雜度的角度切入，對該協(xié)議進行了分析和評價。同其他典型協(xié)議相比較，該協(xié)議通過采用集中式控制、分布式感知、點對點通信的機制，盡可能地做到了揚長避短，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和復雜度得到了兼顧。
關鍵詞： 認知無線網絡；協(xié)同感知；通信協(xié)議；程序復雜度

　認知無線網絡就是認知無線電的網絡化，其本質在于將認知無線電的關鍵技術——環(huán)境感知、智能接入等應用于無線通信網絡的整體中去研究[1]。認知無線網絡能夠利用環(huán)境認知來獲取環(huán)境信息，通過對環(huán)境信息進行處理和學習做出智能決策，并以此進行網絡重構，實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應。目前，歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經開始進行認知無線網絡的網絡級行為的研究和協(xié)議的制定。但是國內的研究仍然主要處于頻譜感知、頻譜決策等分支學科研究階段。
1 認知無線網絡的環(huán)境感知方法
1.1 基于單節(jié)點的頻譜檢測方法
　基于單節(jié)點的發(fā)射機頻譜檢測技術是認知無線電的關鍵技術之一，是構成認知無線網絡環(huán)境感知體系的基本元素。只有在單個認知節(jié)點能夠較為快速、準確、穩(wěn)定地檢測出主用戶頻率使用狀態(tài)的基礎上，認知無線網絡才能夠做出準確的決策，建立合理的網絡架構體系。
　目前，國內外研究較多的發(fā)射機檢測的頻譜感知方法主要有：匹配濾波器感知檢測、波形感知檢測、能量感知檢測和小波分析感知檢測等。
　本課題采用能量感知檢測授權用戶信號的方法。能量檢測法的實現(xiàn)過程如圖1所示。

　雖然能量感知檢測存在無法區(qū)分信號和噪聲、門限值不易確定、SNR較低時性能惡化嚴重、感應時間較長等缺點，但其具有實現(xiàn)方法簡單、計算復雜度低、不需要先驗知識等優(yōu)點，特別適用于成本控制嚴格、架構簡單、對QoS要求不高的認知無線網絡。
1.2 協(xié)同感知方法
　在一個完整的認知無線網絡中，僅僅依靠單個認知用戶自身進行頻譜感知是遠遠不夠的，單個認知用戶的本地頻譜檢測往往無法完整準確地描述整個網絡的頻譜環(huán)境[2]。因此，需要以多用戶協(xié)同感知的方法來獲得更加準確網絡頻譜環(huán)境，以便做出正確的決策。
　協(xié)同感知一般有集中式感知和分布式感知兩種頻譜感知方法[3]。本課題采用的感知方式融合了集中式控制和分布式控制的特點，由控制節(jié)點負責感知覆蓋區(qū)域內的頻譜環(huán)境，為認知節(jié)點提供端對端認知信道；由認知節(jié)點在通信過程中自行檢測本地頻譜環(huán)境，并在必要時及時反饋給控制節(jié)點，控制節(jié)點根據(jù)判決規(guī)則重新調整認知信道的分配。本文將這種網絡架構協(xié)議稱之為協(xié)議1。
2 認知無線網絡的通信協(xié)議設計
2.1 協(xié)議層次架構
　本課題設計的認知無線網絡通信協(xié)議的層次和功能如圖2所示。

　由圖2可以看出，物理層的全部功能和數(shù)據(jù)鏈路層的部分功能已經固化到了硬件系統(tǒng)中，只有少數(shù)參數(shù)可以通過軟件進行修改。而應用層的內容主要由用戶在具體環(huán)境中進行具體設置。因此通信協(xié)議設計的主要工作集中在網絡層和數(shù)據(jù)鏈路層。
2.2 控制節(jié)點的工作時序
　本認知無線網絡控制節(jié)點需要完成的功能包括：接收認知無線網絡節(jié)點發(fā)送的通信請求、通知目的節(jié)點、尋找最佳頻率、將最佳通信頻率告知源節(jié)點和目的節(jié)點、信道惡化時重新尋找最佳通信頻率并告知。
根據(jù)以上要求，認知無線網絡控制節(jié)點的一個工作循環(huán)如圖3所示。

2.3 認知節(jié)點的工作時序
　認知無線網絡節(jié)點需要完成的基本功能有兩個：數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。
　(1)數(shù)據(jù)的發(fā)送。作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認知節(jié)點為了實現(xiàn)在認知信道的通信，首先要保持和控制節(jié)點的通信暢通，這樣才能夠獲得最優(yōu)化的決策；其次，節(jié)點需要有感知功能，作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認知節(jié)點需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中隨時監(jiān)測信道質量，一旦發(fā)現(xiàn)信道狀況惡化，該認知節(jié)點需要立刻終止數(shù)據(jù)發(fā)送并通知控制節(jié)點，以便迅速獲得新的最佳頻率許可恢復通信。其實現(xiàn)過程循環(huán)如圖4所示。

　(2)數(shù)據(jù)的接收。根據(jù)上文的數(shù)據(jù)發(fā)送過程，接收方認知節(jié)點應當這樣設置：
?、僭陬A設控制信道等待。一旦有通信請求，根據(jù)上文可知該通信請求無論來自哪個節(jié)點都一定是由基站向目的節(jié)點通知的。
?、谝坏┦盏娇刂乒?jié)點的通信許可，接收節(jié)點立刻切換到基站下發(fā)的通信頻率中，等待同發(fā)送節(jié)點的通信。
?、塾捎诮邮展?jié)點不負責頻譜感知，因此從接收節(jié)點的角度出發(fā)，一旦通信受阻，無論是何種原因導致，均可認定是信道惡化。此時，接收節(jié)點將切換到預設控制信道等待新的通信許可，如果未收到新的許可，則認定通信失敗。
?、芤坏┩ㄐ沤Y束，接收節(jié)點將重新切換到預設控制頻道。
認知網絡接收節(jié)點的一個工作循環(huán)如圖5所示。

3 其他典型通信協(xié)議架構形式
　圖6左側這種網絡被稱作“完全非合作認知無線網絡”，也可以叫做“分布式認知無線網絡”，其架構思路很簡單，那就是頻譜的感知、決策和數(shù)據(jù)通信完全由節(jié)點自身完成。這種架構最大的特點是，作為通信的接收節(jié)點，由于通信之前沒有任何先驗信息，因此，接收節(jié)點需要在所有預設信道中輪流等待接收，直到收到握手包為止。本文將這種網絡架構稱之為協(xié)議2。

　在認知無線網絡中，通信協(xié)議的程序復雜度是由預設認知信道數(shù)目N和通信數(shù)據(jù)幀數(shù)P決定的。因此，故時間復雜度T=T(N，P)。
4.2 通信鏈路建立的復雜度分析
　根據(jù)分析可知，信道建立過程的一般順序為：首先進行頻譜決策確立最佳通信信道，然后發(fā)送節(jié)點同接收節(jié)點之間建立鏈路。建立鏈路的過程被稱為“握手”。令通信鏈路建立算法的時間復雜度為Ta，則本文的三種協(xié)議的網絡架構的復雜度為Ta1、Ta2、Ta3
　架構一的通信鏈路建立程序算法中，在最壞情況下，發(fā)送節(jié)點共需要執(zhí)行1次模塊初始化運算元，1次數(shù)據(jù)接收運算元，1次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元。同樣地，在最壞情況下，接收節(jié)點需要執(zhí)行1次模塊初始化運算元，1次數(shù)據(jù)接收運算元，1次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元；控制節(jié)點需要執(zhí)行1次初始化運算元，N次載波檢測運算元，兩次數(shù)據(jù)接收運算元，兩次數(shù)據(jù)發(fā)送運算元。
　當然，在3個時間復雜度中，有些程序流程是同時進行的，所以，如果要計算整個系統(tǒng)的時間復雜度，則需要減去其中重復計算的部分。就整個系統(tǒng)而言，在最壞的情況下，完成一次通信鏈路的建立共需要花費1個模塊初始化復雜度的時間，兩個數(shù)據(jù)收發(fā)的復雜度時間和N個載波檢測復雜度的時間。

　從圖7可以看出，雖然三種協(xié)議均為一階復雜度，但是由于載波檢測過程所占用的時間資源非常之少，因此，決定程序算法時間復雜度的根本在于尋找接收節(jié)點并握手的過程。從圖7可以看出，當預設認知信道為1個，即固定信道時，無控制節(jié)點的架構方案的時間復雜度更低。但是隨著預設認知信道的增加，有控制節(jié)點的架構方案其時間復雜度的增加幅度很小，而沒有控制節(jié)點的架構方案其復雜度迅速增長。由此可見，基站對于改善時間復雜度的作用多么重要。
　圖8為隨著通信數(shù)據(jù)量的增加，三種協(xié)議的時間復雜度變化曲線。

　由于協(xié)議1和協(xié)議2在數(shù)據(jù)通信的過程中均采用點對點通信的方式，因此兩者的時間復雜度隨著幀數(shù)的變化趨勢是相同的。由于協(xié)議3的數(shù)據(jù)發(fā)送需要完全依賴基站，故每發(fā)一幀數(shù)據(jù)要比其他兩種通信方式增加近一倍的復雜度。在數(shù)據(jù)通信方面，協(xié)議1和協(xié)議2的方案無疑更加優(yōu)越。
　在鏈路建立程序算法方面，通過增加一個控制節(jié)點分擔原本由發(fā)送節(jié)點完成的頻譜檢測和鏈路建立的工作，可以極大地增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短鏈路建立時間。這種改進思路與算法設計中常用到的“以空間換時間”是類似的，即通過增加系統(tǒng)的空間復雜度(增加控制節(jié)點)來降低系統(tǒng)的時間復雜度。
而在數(shù)據(jù)通信方面，點對點通信無疑可以節(jié)省更多的復雜度開銷，而如果將數(shù)據(jù)通信也交由基站轉發(fā)，則每一次數(shù)據(jù)通信需要完成兩次點對點通信，無疑極大地增加了控制節(jié)點的負擔，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的復雜度開銷。
　根據(jù)以上分析可知，本文所采用的方案(協(xié)議1)同其他的典型架構方案相比無疑具有更大的優(yōu)越性。該方案結合了協(xié)議2和協(xié)議3各自的優(yōu)點，通過采用集中式控制、分布式感知、點對點通信的機制，盡可能地做到了揚長避短，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和復雜度得到了兼顧。
參考文獻
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