摘  要： 針對(duì)目前對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)公共控制信道研究較少的現(xiàn)狀，提出了一種在不增加額外成本、不采用其他通信方式且不影響授權(quán)用戶使用的前提下，根據(jù)信道空閑程度優(yōu)先序列動(dòng)態(tài)建立認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)公共控制信道的方法。用網(wǎng)絡(luò)行為仿真軟件OPNET建立基于該方法的完整的系統(tǒng)模型和仿真環(huán)境，根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了基于“通信成功率”和“公共信道建立時(shí)間”加權(quán)的通信質(zhì)量優(yōu)化方案，提出了相應(yīng)的歸一化性能函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)確定了優(yōu)化預(yù)設(shè)公共控制信道數(shù)目這一主要參數(shù)。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；公共控制信道；優(yōu)先級(jí)排序；優(yōu)化

　認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)CRN（Cognitive Radio Network）就是認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)化。其本質(zhì)在于將認(rèn)知無(wú)線電CR（Cognitive Radio）的關(guān)鍵技術(shù)（環(huán)境感知、智能接入等）應(yīng)用于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究[1]。CRN能夠利用認(rèn)知來(lái)獲取環(huán)境信息，通過(guò)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行處理和學(xué)習(xí)做出智能決策，并據(jù)此重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)。
　與其他的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類似，CRN也需要通過(guò)一定的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的互相協(xié)調(diào)和控制以保證通信的正常進(jìn)行，這就是公共控制信道產(chǎn)生的根本原因。簡(jiǎn)單地說(shuō)，公共控制信道就是一個(gè)事先約定好的專門進(jìn)行用戶基本信息交換和控制指令下發(fā)的通信信道。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中用于控制的開(kāi)銷越來(lái)越大，公共控制信道的重要性也就越發(fā)凸顯。要想讓一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作，其公共控制信道的暢通和便捷是必不可少的。
　與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，CRN的公共控制信道有其自身特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
　（1）CRN的通信原理是CR，即對(duì)授權(quán)用戶頻譜“空穴”的二次利用。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，CRN公共控制信道的建立和使用也應(yīng)當(dāng)符合CR的基本原則，即不得影響授權(quán)用戶PU（Primary User）對(duì)該信道頻率的正常使用。
?。?）在不影響PU對(duì)頻率的正常使用的前提下，CRN的控制信道也應(yīng)該具備公共控制信道的一般特點(diǎn)，即信道暢通且可以被所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方便地使用或者監(jiān)聽(tīng)。
　（3）相對(duì)于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，CRN在公共控制中需要用到更多的環(huán)境參數(shù)和控制信息。
目前關(guān)于CRN公共控制信道的設(shè)計(jì)主要有以下3種方案[2]。
?。?）劃分出一段專門的頻譜作為公共控制信道，如參考文獻(xiàn)[3]；
?。?）選擇一段免執(zhí)照頻段作為公共控制信道；
?。?）采用超寬帶技術(shù)進(jìn)行信令傳輸，以做到不干擾其他用戶，如參考文獻(xiàn)[4]。
　這3種方案均有不盡人意之處。方案（1）嚴(yán)格意義上說(shuō)已經(jīng)不屬于認(rèn)知無(wú)線電的范疇；方案（2）雖然可以避免干擾授權(quán)用戶，但是需要獨(dú)占公共控制信道，并且可能會(huì)和其他使用免執(zhí)照頻段的設(shè)備產(chǎn)生串?dāng)_；方案（3）雖然解決了對(duì)授權(quán)用戶的干擾以及來(lái)自其他設(shè)備的串?dāng)_的問(wèn)題，但是與數(shù)據(jù)通信完全不同的公共控制通信方式又額外增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。
　當(dāng)前在這一領(lǐng)域的研究主要側(cè)重點(diǎn)在減少認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)公共控制信道的依賴性上。參考文獻(xiàn)[5]、[6]、[7]分別提出了不同的能量檢測(cè)協(xié)同算法，以在滿足認(rèn)知用戶基本性能需要的前提下盡可能地降低對(duì)控制信道的依賴。目前對(duì)公共控制信道建立方法自身的研究還開(kāi)展的比較少。雖然參考文獻(xiàn)[8]提出了Ad Hoc模式下CRN基于博弈論的公共控制信道的信道建立算法，但是該算法和其他的公共控制信道建立算法類似，有計(jì)算復(fù)雜度高以及在認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)CU（Cognitive User）增加時(shí)性能下降較為嚴(yán)重等缺點(diǎn)，缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
1 CRN公共控制信道的動(dòng)態(tài)建立方法
　針對(duì)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，本文提出了一種簡(jiǎn)單快速的CRN建立公共控制信道的方法。在CRN中，公共控制信道也應(yīng)該是具有認(rèn)知特性，不能干擾到PU的正常使用，因此，公共控制信道的建立是動(dòng)態(tài)的。
　本文所設(shè)置的研究場(chǎng)景為：CRN為基站BS（Base Station）集中式控制下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。即由基站負(fù)責(zé)覆蓋區(qū)域內(nèi)認(rèn)知信道的檢測(cè)，并在收到來(lái)自認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的通信請(qǐng)求后，向收發(fā)雙方認(rèn)知節(jié)點(diǎn)下發(fā)通信許可和最優(yōu)通信頻譜。假設(shè)所有的CRN節(jié)點(diǎn)（包括BS）均可以與其他節(jié)點(diǎn)建立通信，忽略隱終端和暴露終端問(wèn)題，并假設(shè)所有的干擾均來(lái)自授權(quán)用戶，忽略空間噪聲和其他干擾，如圖1所示。而公共控制信道就是連接基站和認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的紐帶。

　本文的公共控制信道建立的整體思路是：根據(jù)頻譜感知獲得的先驗(yàn)知識(shí)將所有的認(rèn)知信道按照其是否適合作為公共控制信道的程度進(jìn)行排序，確定預(yù)設(shè)所有信道被選為公共控制信道的優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)和基站再根據(jù)此優(yōu)先級(jí)完成公共控制信道的建立。排序的依據(jù)是認(rèn)知信道在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的空閑時(shí)間的長(zhǎng)短，由此確定這些認(rèn)知信道作為CRN的公共控制信道的適合程度。顯然，在一個(gè)周期內(nèi)，PU活躍時(shí)間越短的信道在CRN中就越穩(wěn)定，也就越適合作為公共控制信道。按照適合程度將CRN中的認(rèn)知信道進(jìn)行排列，并優(yōu)先使用最適合的信道作為公共控制信道。根據(jù)這個(gè)方法可以將按照優(yōu)先級(jí)排列好的認(rèn)知信道記作C1，C2……Cn，并通過(guò)程序的形式寫入CRN的基站和各個(gè)節(jié)點(diǎn)。
　公共控制信道的建立過(guò)程如下：
?。?）CRN的BS在默認(rèn)的最高優(yōu)先級(jí)公共控制信道等待來(lái)自CU的接入請(qǐng)求，并同時(shí)對(duì)該信道進(jìn)行能量檢測(cè)。
　（2）BS一旦檢測(cè)到最高優(yōu)先級(jí)信道被PU使用，則自動(dòng)切換至次高優(yōu)先級(jí)公共控制信道等待，以此類推。
?。?）當(dāng)BS在非最高優(yōu)先級(jí)公共控制信道等待時(shí)，還將對(duì)高于該信道優(yōu)先級(jí)的其他信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，一旦監(jiān)聽(tīng)到更高優(yōu)先級(jí)的信道空閑，則自動(dòng)切換至優(yōu)先級(jí)較高的信道作為公共控制信道等待，公共控制信道的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

?。?）CU在試圖同其他節(jié)點(diǎn)通信之前，首先要通過(guò)控制信道同BS取得聯(lián)系。在這個(gè)過(guò)程中，CU將首先對(duì)最高優(yōu)先級(jí)控制信道進(jìn)行偵聽(tīng)，如果偵聽(tīng)到信道為空閑，則將在最高優(yōu)先級(jí)控制信道上同BS取得聯(lián)系，控制信道建立成功。
?。?）如果偵聽(tīng)結(jié)果為信道忙碌或者通信失敗，則CU認(rèn)為基站忙碌或者最優(yōu)通信信道被PU占用，如果檢測(cè)到基站忙碌，則CU等待一段時(shí)間；如果是信道被PU占用，則CU自動(dòng)切換至次優(yōu)通信信道與BS聯(lián)系，以此類推直至控制信道建立成功或者所有控制信道均不可用，其工作流程圖如圖3所示。

    本文將從通信成功率和公共信道建立時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)去評(píng)價(jià)公共控制信道建立方法的通信質(zhì)量。通信成功率就是CU發(fā)起的所有通信請(qǐng)求中最終成功建立公共控制信道的請(qǐng)求次數(shù)的比例。公共信道建立時(shí)間則指的是從CU發(fā)起通信請(qǐng)求到公共控制信道成功建立這一過(guò)程所需要花費(fèi)的時(shí)間。
　根據(jù)上述環(huán)境參數(shù)，令M=10，即仿真環(huán)境中有10個(gè)可用認(rèn)知信道。圖4和圖5分別給出了在CU數(shù)目P不同的情況下，平均公共信道建立時(shí)間（lavg）和平均通信成功率（Savg）隨預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N的變化。
從圖中可以總結(jié)出，預(yù)設(shè)控制信道數(shù)目N越大，lavg會(huì)有所增加。這是因?yàn)镃U在較高優(yōu)先級(jí)的預(yù)設(shè)控制信道通信失敗后就會(huì)轉(zhuǎn)而使用較低優(yōu)先級(jí)的預(yù)設(shè)控制信道，從而消耗了更多的時(shí)間。同理，N越大，所有預(yù)設(shè)控制信道均不可用的可能性就越小，Savg就越大。但是與通信延時(shí)不同的是，這個(gè)增加的幅度會(huì)隨著認(rèn)知信道數(shù)目的增加而呈現(xiàn)出較為明顯的邊際效應(yīng)遞減趨勢(shì)。

　可見(jiàn)，最優(yōu)控制信道數(shù)目N*并非是一個(gè)一成不變的值，而是根據(jù)可用認(rèn)知信道數(shù)目M的不同有著不同的取值。
　在CRN中，公共控制信道是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞。本文給出了一種不依賴于專有控制信道、免許可頻段和其他調(diào)制方式的CRN的動(dòng)態(tài)的公共控制信道建立方法，并給出了最優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法和結(jié)果，對(duì)于未來(lái)的CRN理論完善和網(wǎng)絡(luò)的建立有一定的指導(dǎo)意義。由于時(shí)間和作者能力的限制，本文未對(duì)CU間的通信沖突導(dǎo)致通信質(zhì)量下降的問(wèn)題進(jìn)行深層次的研究和改進(jìn)。這將作為未來(lái)工作的改進(jìn)方向。
參考文獻(xiàn)
[1] 王金龍，吳啟暉，龔玉萍，等.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.
[2] DANIJELA C， SHRIDHAR M， DANIEL W， et al. A cognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum[C]. Proceedings of 14th IST Mobile Wireless Communications， June 2005.
[3] HOLLAND O， ATTAR A， OLAZIREGI N， et al. A universal resource awareness channel for cognitive radio[C].IEEE 17th International Symposium on Personal， Indoor and Mobile Radio Communications， 2006：1-5.
[4] 趙陸文，繆志敏，周志杰，等.適用于認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的寬帶公共協(xié)同信道[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010（5）：1078-1082.
[5] 張繼良，汪洋，劉法，等.控制信道受限的認(rèn)知無(wú)線電聯(lián)合頻譜感知[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010（6）：1113-1116.
[6] HAYKIN S. Cognitive radio： brain empowered wireless communications[J]. IEEE Journal Selected Areas Communication， 2005，23（2）：201-220.
[7] Sun C H， Zhang W， LETAIEF K B. Cooperative spectrum sensing for cognitive radios under bandwidth constraints[C]. Wireless Communications and Networking Conference，2007：1-5.
[8] 韓小博，羅濤.Ad Hoc認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于博弈論的公共信道建立算法[J].電子學(xué)報(bào)，2010（7）：1699-1703.
[9] 李馨，葉明.OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.