《電子技術(shù)應用》
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認知無線網(wǎng)絡的改進資源管理算法研究
來源：電子技術(shù)應用2010年第6期
謝健驪1, 李翠然1,2
1．蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室， 北京100044
摘要： 提出了一種基于資源認知信道的接入算法，可用于認知無線電環(huán)境下的無線資源管理。對資源認知信道上傳輸?shù)拿總€分組——數(shù)據(jù)域部分采用了基于聯(lián)合檢測的擴頻碼，而控制域部分則分別采用了5種不同的信道接入?yún)f(xié)議。分析并仿真了認知用戶在資源認知信道上的成功接入概率以及吞吐量性能。
中圖分類號: TN92
文獻標識碼: A
Study on an improved resource management algorithm for cognitive radio network
XIE Jian Li1， LI Cui Ran1,2
1. School of Electronics and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2. State Key Lab. of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
Abstract： On the basis of resource awareness channel(RAC), the paper presents a media access algorithm for radio resource management in cognitive radio environment. For each packet transmission on the RAC, the spreading code is applied for the data portion of each packet based on the idea of joint detection and five different channel access protocols for the control field. The success access probability for cognitive users trying to transmit on the RAC and the throughput are analyzed and simulated.
Key words : cognitive radio; resource awareness channel; resource management; access probability; throughput;

    隨著無線通信業(yè)務需求的快速增長，頻譜資源變得日益匱乏。但與此同時，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的調(diào)查研究表明，在大多數(shù)時間里，許多授權(quán)頻譜并沒有得到充分利用[1]。因此，如何有效地利用無線頻譜受到廣泛的關注。認知無線電CR(Cognitive Radio)技術(shù)通過將授權(quán)頻譜伺機分配給一組認知(未授權(quán))用戶使用，明顯地提高了頻譜利用率[2]。為了提高頻譜偵聽的性能，很多學者提出了各種頻譜偵聽方法[3-6]。大多數(shù)頻譜偵聽算法通常非常耗時,而且功率損耗很大，Holland等人提出的資源認知信道(RAC)方案部分地解決了這個問題[7]。
　本文提出了一種基于RAC的改進算法：首先定義RAC為工作于固定頻段上的一個通用信道，在此信道上傳遞無線頻譜資源的使用信息。每個認知用戶通過偵聽RAC信道就可以獲知本地無線頻譜資源的占用情況。接下來,將RAC上傳輸?shù)拿總€分組分成數(shù)據(jù)域和控制域兩個部分，對數(shù)據(jù)域部分采用基于發(fā)射端的擴頻碼字對其進行擴頻,同時還引入了聯(lián)合檢測的思想[8]；對控制域部分則分別采用了5種不同的信道接入策略。通過理論分析和數(shù)值仿真評估了RAC上的成功接入概率和系統(tǒng)的吞吐量性能。
1 基于RAC的改進算法
　對于任一認知用戶來說，它必須以對主(授權(quán))用戶干擾最小的方式來使用頻譜空洞進行伺機通信，因此無線網(wǎng)絡資源(頻段、時隙等)的有效獲取將顯得尤為重要。RAC使用了一個公共信道，所有終端都必須等功率地在該RAC上廣播各自占用無線資源的情況并可據(jù)此獲悉剩余的有效資源。通過這種方式，任一認知用戶都可以借助RAC上的傳輸信息來評估它對其他認知用戶所造成的干擾?？梢钥闯觯捎肦AC方式可以使認知用戶更為有效、智能地利用無線頻譜資源。
   為了使操作統(tǒng)一化，RAC需要占用一個固定的信道，同時認知用戶接入RAC的方式也必須提前確定下來。另外，為了保持信息的有效性，各認知用戶必須周期性地更新RAC上的傳輸內(nèi)容?？紤]到參考文獻[7]給出的RAC上信息分組的結(jié)構(gòu)過于繁瑣且不具有操作可行性，本文對此進行了改進。
　在改進的RAC算法中，為不失一般性，將RAC的無線傳輸分組從結(jié)構(gòu)上分為兩部分：控制域和數(shù)據(jù)域。在無線傳輸環(huán)境下，認知用戶的數(shù)目和它們的拓撲位置隨時會發(fā)生變化，而且任一認知用戶在RAC的傳輸信息量也將隨不同的信道接入方式而改變。這些因素在算法的執(zhí)行過程中都需要考慮進去。這里，為了更全面地評估系統(tǒng)性能，分組的控制域部分分別采用了5種不同的信道接入?yún)f(xié)議。如果主(授權(quán))用戶有空閑頻譜，需要占用此頻段的認知用戶就會通過控制域的RTS(請求發(fā)送)/CTS(確認發(fā)送)控制分組在它和主用戶之間傳遞。若RTS/CTS握手成功，則認知用戶就可占用此空閑頻譜進行信息傳輸了。分組域部分的數(shù)據(jù)則是通過擴頻碼進行擴頻傳輸?shù)?，即選用一組PN碼構(gòu)成發(fā)射碼集，集合中的任意兩個元素（碼）之間是準正交的，這一點從數(shù)學上是可以做到的。然后，將不同的碼字分配給不同的認知用戶。通過這種碼指配方式，認知用戶就可以在數(shù)據(jù)域上同時傳送有關各自無線資源占用情況的信息而相互之間的干擾卻很小。從上述描述可以看出：控制域只負責主用戶與認知用戶之間的RTS/CTS握手，當握手成功后，認知用戶就可以在數(shù)據(jù)域上傳送有關無線資源占用的相關信息了。
　需要指出的是，控制域采用的信道接入方式不同，算法的操作過程也隨之不同。下面以CSMA/CA信道接入?yún)f(xié)議為例進行說明。認知用戶首先打開接收機，將其調(diào)諧到RAC占用的信道上。當某個認知用戶需要占用未授權(quán)頻段進行信息傳輸時，它先偵聽信道，若控制域狀態(tài)為“忙”，認知用戶將采用二進制指數(shù)后退算法延遲發(fā)送，直至狀態(tài)為“空閑”，則在RAC上發(fā)送RTS，之后等待接收CTS。當認知用戶成功接收到CTS，這就說明握手成功，它就開始傳輸信息，同時將其接收機調(diào)諧到RAC上以偵聽其他認知用戶發(fā)送的無線資源占用情況。
2 性能分析
　本節(jié)將對認知用戶成功接入RAC的概率和系統(tǒng)吞吐量性能進行分析。
　考慮一個網(wǎng)絡覆蓋面積為A的圓形區(qū)域，其中均勻分布著N個認知用戶。為描述方便，下面統(tǒng)一將認知用戶稱之為節(jié)點。節(jié)點的空間分布密度為：

其中，Pt為發(fā)射功率，Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接收天線增益，λc=c/fc為波長，n為路徑損耗指數(shù)。同時，為了在RAC上能可靠地偵聽到其他節(jié)點的信息發(fā)布，規(guī)定此節(jié)點的接收功率必須大于門限值Pthreshold。則任一節(jié)點的信號覆蓋距離為


    上式給出的是一種理想的接入情況，即節(jié)點間不存在碰撞。實際上，當兩個以上認知用戶同時在RAC的控制域部分發(fā)送RTS/CTS控制分組時，將會產(chǎn)生碰撞。下面考慮節(jié)點的分組到達率(λ分組/秒)服從泊松分布的情形。
　(1)控制域采用Aloha協(xié)議，則RTS/CTS成功接入RAC的概率為:


   定義聯(lián)合檢測分組的容量為K。即，由于擴頻碼多址干擾的影響，在給定的時間內(nèi)只允許不超過K個分組共存。泊松分布的情形下，在2DD的時間內(nèi)，不超過K個分組共存的概率為:


3 數(shù)值仿真與結(jié)果分析
   為了對改進的RAC算法進行性能仿真,給出仿真參數(shù)如表1所示[7]。

　圖1給出了發(fā)射功率對成功接入RAC概率的影響。從圖中可以看出：當數(shù)據(jù)域和控制域的長度比值f取值較小時，節(jié)點成功接入RAC的概率較大。同時還可看出：隨著發(fā)射功率的增加，節(jié)點成功接入RAC的概率較小，即系統(tǒng)性能迅速惡化。

    圖2顯示了RAC上的傳輸周期對其接入概率的影響?？梢悦黠@地看出：當f取值較小時，增加RAC傳輸周期時長將會大大改善節(jié)點成功接入RAC的性能。

    圖3和圖4分別表示在不同的分組聯(lián)合檢測容量下，以分組長度計的吞吐量和分組到達率之間的關系。對比兩圖可看出：吞吐量隨著聯(lián)合檢測容量的增加而增加。這是因為，聯(lián)合檢測容量的增加意味著允許更多的認知用戶節(jié)點可同時在數(shù)據(jù)域進行傳輸。同時還可看出：隨著控制域所采取的信道接入?yún)f(xié)議的不同，吞吐量也有很大區(qū)別。當控制域采用CSMA/CA協(xié)議時，系統(tǒng)吞吐量性能為最優(yōu)。

    本文提出了一種改進的RAC資源管理算法。仿真結(jié)果表明：當給定節(jié)點的發(fā)射功率時，隨著數(shù)據(jù)域和控制域長度比值的減小以及RAC上傳輸周期的增加，節(jié)點成功接入RAC的概率會隨之提高。同時吞吐量性能將隨著分組聯(lián)合檢測容量的增加而得到較好的改善。未來的無線移動通信系統(tǒng)將由多種不同性質(zhì)的異構(gòu)網(wǎng)絡融合而成。文中的算法對于解決異構(gòu)網(wǎng)絡融合時的無線資源管理問題提供了一種切實可行的思路。
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