李瑞芳，劉泉，李仁發(fā)

（1.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；3. 湖南大學(xué) 嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

1 引言

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（CRN, cognitive radio network）中，認(rèn)知用戶（SU, secondary user）利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)感知頻譜空洞，采用機(jī)會(huì)式動(dòng)態(tài)頻譜接入的方式，在不影響授權(quán)用戶（PU, primary user）傳輸?shù)那闆r下，共享授權(quán)頻譜資源，從而提高頻譜利用率，緩解網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源短缺問(wèn)題[1]。近年來(lái)，包括多媒體業(yè)務(wù)在內(nèi)的寬帶業(yè)務(wù)逐漸成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心業(yè)務(wù)，低延遲傳輸成為保障業(yè)務(wù)QoS需求的關(guān)鍵。媒體訪問(wèn)控制（MAC, medium access control）層設(shè)計(jì)確定認(rèn)知用戶使用什么信道，采用何種策略接入，建立節(jié)點(diǎn)共享信道的規(guī)則，是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜共享的基本前提[2]，如何在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源動(dòng)態(tài)變化的情況下，通過(guò)MAC層頻譜接入方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸成為亟待解決的難題。

與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中MAC層設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注頻譜接入方案，其中，頻譜感知調(diào)度與信道接入競(jìng)爭(zhēng)是關(guān)鍵組成部分[3]。本文基于頻譜聚合技術(shù)，優(yōu)化頻譜感知與信道接入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，提出低延遲的頻譜接入方案（LD-SAS, low-delay spectrum access scheme），主要包括2個(gè)部分內(nèi)容。

1) 分析CRN中MAC層數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間與信道感知時(shí)間的平衡問(wèn)題，通過(guò)建立頻譜感知與數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)劃函數(shù)，確定最優(yōu)可用信道數(shù)目，使延遲最小化。

2) 考慮CRN頻譜動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，改進(jìn)公共控制信道的信道接入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，解決認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多信道協(xié)調(diào)（MCC, multi-channel coordination）中的信道沖突與聾終端問(wèn)題，避免重傳從而進(jìn)一步降低延遲。

2 相關(guān)工作

目前的CRN MAC層設(shè)計(jì)研究成果從協(xié)議實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)角度上可分為集中式與分布式兩大類，其中分布式MAC協(xié)議按照射頻數(shù)量又分為多射頻以及單射頻兩類，本文重點(diǎn)研究單射頻的分布式MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)方案，其代表性的協(xié)議與算法主要包括：HC-MAC協(xié)議[4]通過(guò)限制頻譜感知范圍，提高傳輸速率，獲得高吞吐量，但協(xié)議的控制信息過(guò)多，易使控制信道飽和；文獻(xiàn)[5]提出的信道分配算法關(guān)注業(yè)務(wù)分組的傳輸成功率，減小分組丟失率，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量；POMDP協(xié)議[6]采用部分可觀測(cè)馬爾可夫決策過(guò)程對(duì)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的信道模型進(jìn)行估計(jì)，MAC層根據(jù)估計(jì)結(jié)果優(yōu)化頻譜接入，協(xié)議假設(shè)頻譜使用狀況不變，且優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜；DySCO-MAC協(xié)議[7]注重解決CR網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的隱藏終端、暴露終端以及MCC問(wèn)題從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，協(xié)議頻譜管理結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；BCA[8]基于信道切換代價(jià)考慮頻譜接入問(wèn)題，減少信道碰撞概率，提高頻譜利用率；在IEEE CrownCom 2012會(huì)議上，研究者Fakhreddine G[9]從頻譜切換的角度考慮機(jī)會(huì)式頻譜接入策略，提出當(dāng)授權(quán)用戶重新出現(xiàn)時(shí)2種信道接入策略。以上協(xié)議均旨在通過(guò)優(yōu)化頻譜感知或頻譜接入，提高頻帶利用率，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，未考慮針對(duì)業(yè)務(wù)QoS需求提供實(shí)時(shí)保障。文獻(xiàn)[10]針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中不同類型業(yè)務(wù)的QoS需求，通過(guò)多屬性參數(shù)與信道屬性匹配，選擇最優(yōu)信道，減少重傳，但頻譜接入的具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制文中并未做出說(shuō)明。

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展和完善，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)逐漸成為了無(wú)線通信的核心業(yè)務(wù)，低延遲成為保障實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)年P(guān)鍵QoS指標(biāo)。與大多數(shù)研究工作關(guān)注網(wǎng)絡(luò)吞吐量不同的是，本文重點(diǎn)關(guān)注認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸速率，降低傳輸延遲。

3 系統(tǒng)描述與問(wèn)題建模

3.1 授權(quán)用戶活動(dòng)模型

不失一般性，對(duì)授權(quán)用戶業(yè)務(wù)流量建模ON-OFF模型，ON狀態(tài)表示授權(quán)用戶正在使用信道，OFF狀態(tài)表示信道空閑，允許CR用戶接入該信道。OFF和ON狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間分別用隨機(jī)變量X和Y表示。假設(shè)隨機(jī)變量X和Y獨(dú)立，且分別服從參數(shù)為α和β的指數(shù)分布，則X、Y的概率密度函數(shù)可分別表示為fX(x)=αe-αx與fY(x)=βe-βx。由此，授權(quán)頻譜占用與空閑的概率分別為：poff=α/(α+β),pon=β/(α+β)。

3.2 問(wèn)題建模

SU具有頻譜聚合能力，能將分散的信道容量小的頻譜段聚合為完整的信道容量較大的頻譜，以支持高帶寬需求[11]。比如采用正交頻分復(fù)用技術(shù)，通過(guò)開啟或關(guān)閉子載波，靈活聚合當(dāng)前感知到的空閑頻段。

每個(gè)CR終端有2個(gè)半雙工收發(fā)器，即控制收發(fā)器和數(shù)據(jù)收發(fā)器，控制收發(fā)器在公共控制信道交換控制信息，感知授權(quán)信道得到可用信道集合，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲取信道接入權(quán)，數(shù)據(jù)收發(fā)器動(dòng)態(tài)地切換到獲得的數(shù)據(jù)信道上傳輸數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，忽略控制信道切換到數(shù)據(jù)信道的延遲，業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)間主要由信道感知時(shí)段、接入競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段3部分組成。增加信道感知時(shí)間能使SU獲得更多可用信道，通過(guò)頻譜聚合技術(shù)使頻帶增大，傳輸速率提高，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，降低時(shí)延，但同時(shí)，增加的信道感知時(shí)間延遲了業(yè)務(wù)開始傳輸?shù)臅r(shí)間。因此，如何取得數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間與信道感知時(shí)間的平衡是MAC協(xié)議需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

假設(shè)SU每感知一個(gè)授權(quán)信道需要時(shí)間δ，則感知n個(gè)信道所花費(fèi)的時(shí)間為nδ，因此確定感知信道的數(shù)量是關(guān)鍵。以N表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中授權(quán)信道的總數(shù)，m為SU通過(guò)感知獲得的空閑信道數(shù)，假設(shè)SU能正確感知信道（不考慮虛警和漏報(bào)的情況），授權(quán)信道相互獨(dú)立且空閑的概率均為poff，獲得m個(gè)可用信道遵循二項(xiàng)式分布。假設(shè)獲得m個(gè)可用信道SU需要感知n=m+k個(gè)信道，由于當(dāng)信道感知得到m個(gè)可用信道后即停止繼續(xù)感知，因此感知的最后一個(gè)信道一定為可用空閑信道，需要多感知k個(gè)信道的概率為P(k)，數(shù)學(xué)期望為E(k)，如式(1)和式(2)所示。

由于SU在公共控制信道競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程遵循相同的退避規(guī)則，則在相同網(wǎng)絡(luò)情況下不同SU的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間Tctrl的均值大致相同，因此，業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間主要由信道感知時(shí)間Tsen與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間Tdata決定。設(shè)待傳輸業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量為L(zhǎng)，N條授權(quán)信道具有相同帶寬，傳輸速率為R，則在數(shù)據(jù)信道上傳輸所需要的時(shí)間為Tdata=L/(mR)，由此可得，將獲得的m條可用信道通過(guò)頻譜聚合后，業(yè)務(wù)傳輸總延遲為

用NF代表在頻譜聚合技術(shù)的限制下，一個(gè)SU最多能使用的信道數(shù)。欲使數(shù)據(jù)傳輸延遲最小，MAC層信道感知與接入優(yōu)化問(wèn)題可形式化描述為如下規(guī)劃問(wèn)題

4 算法設(shè)計(jì)與分析

4.1 頻譜感知調(diào)度—最佳可用信道數(shù)m確立

確定業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間最短情況下需獲得的可用信道數(shù)m，即將業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間最小化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最佳可用信道數(shù)m的選擇。SU在感知頻譜過(guò)程中，每多獲得1個(gè)可用信道，計(jì)算業(yè)務(wù)傳輸所耗時(shí)間。假設(shè)現(xiàn)在感知獲得m個(gè)可用信道，則業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間為如式(3)所示，同時(shí)SU預(yù)測(cè)再多感知一個(gè)信道所獲得的業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間為

比較T(m+1)與T(m)，如果T(m+1)不小于T(m)，說(shuō)明現(xiàn)在是最佳停止時(shí)機(jī)，當(dāng)前獲得的可用信道數(shù)就是最佳值；如果T(m+1)小于T(m)，說(shuō)明當(dāng)前可用信道數(shù)不是最佳值，需要繼續(xù)感知，直到到達(dá)最佳。

4.2 信道接入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

4.2.1 信道接入競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程

認(rèn)知用戶感知獲得可用信道集合后，通過(guò)在公共控制信道競(jìng)爭(zhēng)接入成功，并與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)商確定可用信道的選擇，然后切換至數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。信道接入競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程如圖2所示，需要發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)測(cè)控制信道，如信道忙則退避，如信道空閑則等待DIFS后，發(fā)送RTS幀。與其他協(xié)議不同的是，針對(duì)CRN頻譜資源動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，LD-SAS協(xié)議中RTS幀包含了待聚合信道列表與待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，如圖3(a)所示。其中，待聚合信道列表包括通過(guò)最小化數(shù)據(jù)傳輸延遲限制所獲得的可用信道信息，即m個(gè)空閑授權(quán)信道。而待傳輸數(shù)據(jù)量指節(jié)點(diǎn)本次通信待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀大小，即式(4)中的L。目的節(jié)點(diǎn)接收到RTS幀后，依據(jù)信道列表的信息確認(rèn)能聚合的信道，如果m個(gè)信道均可用，確認(rèn)聚合信道列表，若目的節(jié)點(diǎn)感知到其中某個(gè)信道被授權(quán)用戶或鄰居節(jié)點(diǎn)占用，則返回0＜m’＜m個(gè)可用待聚合信道，同時(shí)根據(jù)待傳輸數(shù)據(jù)幀大小L及可聚合信道數(shù)m或m’計(jì)算傳輸時(shí)間，返回CTS幀。

圖2 信道接入競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程

圖3 數(shù)據(jù)幀格式

4.2.2 多信道協(xié)調(diào)問(wèn)題的解決

多信道協(xié)調(diào)是單接口多信道MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)通信存在的重要問(wèn)題[12]，主要包括信道沖突和“聾終端”2個(gè)方面，在認(rèn)知頻譜資源動(dòng)態(tài)變化的情況下，這個(gè)問(wèn)題的解決更為復(fù)雜。協(xié)議為減小MCC問(wèn)題的影響，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)在控制信道協(xié)商交換信息的同時(shí)，引入鄰居節(jié)點(diǎn)協(xié)同偵聽機(jī)制。鄰居節(jié)點(diǎn)偵聽控制信道的RTS與CTS幀，若出現(xiàn)MCC問(wèn)題則在MCC期間內(nèi)返回INV幀，具體規(guī)則如下。

規(guī)則1 若出現(xiàn)信道沖突，即源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)協(xié)商確認(rèn)的可用信道列表中，有信道已經(jīng)被占用（包括授權(quán)用戶和其他認(rèn)知用戶），則目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)在MCC期間的任意時(shí)間內(nèi)發(fā)送INV(Con)幀，告知已占用信道的信息，幀結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到INV(Con)幀后，調(diào)整CTS中的確認(rèn)信道列表并重新計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間重新發(fā)送CTS幀，源節(jié)點(diǎn)接收到CTS幀之后，切換至協(xié)商的數(shù)據(jù)信道，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

規(guī)則2 若出現(xiàn)“聾終端”問(wèn)題，即當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)在正處于數(shù)據(jù)信道通信狀態(tài)，無(wú)法接收信息。由于引入了鄰居節(jié)點(diǎn)協(xié)同偵聽機(jī)制，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的共同鄰居節(jié)點(diǎn)能監(jiān)測(cè)到“聾終端”情況的發(fā)生，鄰居節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送INV(Deaf)幀，通知源節(jié)點(diǎn)需要退避（NBO, need back off），幀格式如圖3(d)所示。源節(jié)點(diǎn)接收到INV(Deaf)幀后，退避后重新發(fā)送RTS。

同時(shí)，由于在信道接入競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，目的節(jié)點(diǎn)廣播了確認(rèn)聚合信道列表與傳輸時(shí)間信息，通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)可以獲知在此段時(shí)間內(nèi)信道占用情況，從而進(jìn)一步避免認(rèn)知用戶之間的信道沖突。

4.3 性能分析

4.3.1 延遲分析

1) 信道感知時(shí)段分析

由圖1可知，數(shù)據(jù)傳輸延遲主要由頻譜感知時(shí)段、信道接入競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段以及數(shù)據(jù)幀傳輸3部分組成。其中頻譜感知時(shí)間為

2) 信道接入競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段分析

如圖2所示，在頻譜接入競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段，SU在公共控制信道發(fā)送控制幀，存在發(fā)送成功、信道沖突、聾終端、發(fā)送失敗以及信道空閑5種情況，其時(shí)間長(zhǎng)度分別如下

假設(shè)MAC層采用標(biāo)準(zhǔn)的指數(shù)退避，r表示最高退避階數(shù)，W0為最小退避窗口值，s表示SU總數(shù)，采用前期研究成果[13]的數(shù)學(xué)模型，可得在當(dāng)前時(shí)隙一個(gè)SU要發(fā)送RTS的概率τ與發(fā)送RTS沖突的概率p。在當(dāng)前時(shí)隙至少有一個(gè)SU發(fā)送的概率為ptr=1-(1-τ)s，在至少一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的條件下，有且只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的概率為ps=sτ(1-τ)s-1/ptr，空閑概率為pidle=1-ptr。顯然發(fā)生沖突傳輸失敗的概率，即pfailure=ptr(1-ps)，RTS發(fā)送成功，且不碰撞的概率為ptrps，在這個(gè)前提下，討論多信道MCC問(wèn)題發(fā)生的概率。

當(dāng)時(shí)隙內(nèi)n條可用授權(quán)信道中，源節(jié)點(diǎn)感知的m條可用信道至少有一條信道正被源節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)使用，發(fā)送數(shù)據(jù)信道沖突。假設(shè)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目為s’，則鄰居節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕蕿?/p>

則發(fā)生數(shù)據(jù)信道沖突的概率為

其中，n為此時(shí)隙整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的空閑信道數(shù)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有N個(gè)授權(quán)信道，各授權(quán)信道的占用率與空閑率分別為pon與poff，則

因此，網(wǎng)絡(luò)中空閑信道的平均數(shù)量為

當(dāng)發(fā)生“聾終端”問(wèn)題，即為在此時(shí)隙中當(dāng)源節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送RTS幀后，目的節(jié)點(diǎn)正在處于數(shù)據(jù)信道進(jìn)行傳輸，其概率為由此，不發(fā)生MCC問(wèn)題，數(shù)據(jù)一次性成功傳輸?shù)母怕蕿?/p>

因此，接入競(jìng)爭(zhēng)的平均時(shí)間為

3) 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段分析

SU通過(guò)在公共控制信道競(jìng)爭(zhēng)獲得頻譜接入的權(quán)利，切換至協(xié)商的數(shù)據(jù)信道進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)幀的時(shí)間為

其中，m'為通信節(jié)點(diǎn)對(duì)協(xié)商階段目的節(jié)點(diǎn)CTS幀最后確定的可聚合信道數(shù)目，忽略授權(quán)用戶在RTS階段出現(xiàn)的概率，考慮SU的鄰居節(jié)點(diǎn)活動(dòng)對(duì)其的影響。假設(shè)鄰居節(jié)點(diǎn)為's個(gè)，鄰居節(jié)點(diǎn)正在傳輸數(shù)據(jù)的概率為ptrps，當(dāng)有鄰居節(jié)點(diǎn)正在SU所感知得到的m條可用信道中的q條信道上傳輸，此時(shí)m'=m-q，其概率為

則確認(rèn)可聚合的信道數(shù)m’的平均值為

4.3.2 飽和吞吐量分析

SU在授權(quán)信道傳輸數(shù)據(jù)前，需要感知信道狀態(tài)并獲得最佳可用信道數(shù)，收發(fā)節(jié)點(diǎn)在公共控制信道交互控制幀，競(jìng)爭(zhēng)獲取數(shù)據(jù)信道接入權(quán)，然后切換至數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于網(wǎng)絡(luò)中只有一條公共控制信道，通常控制信道成為傳輸?shù)钠款i，即只要認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在公共控制信道成功預(yù)約獲得數(shù)據(jù)信道后，數(shù)據(jù)就能在數(shù)據(jù)信道傳輸。定義SSU為SU單次傳輸實(shí)現(xiàn)的吞吐量，則SSU可以表示為

其中，E[m’]為單次傳輸實(shí)際接入可用信道的期望，R為單個(gè)信道的傳輸速率，即SU花費(fèi)Tsen+E[Tcrtl]時(shí)間在E[m’]個(gè)信道以速率R同時(shí)傳輸Tdata時(shí)間，則網(wǎng)絡(luò)吞吐量S為

其中，E[n]為網(wǎng)絡(luò)中可感知到的可用授權(quán)信道數(shù)目的數(shù)學(xué)期望，由式(7)給出，Tidle為授權(quán)信道可被認(rèn)知用戶使用的空閑時(shí)間，由于授權(quán)信道的空閑時(shí)間符合服從參數(shù)α的指數(shù)分布，則E[Tidle]=1/α。

5 仿真實(shí)現(xiàn)與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

本文采用MATLAB與NS2對(duì)提出的LD-SAS協(xié)議進(jìn)行仿真，其中應(yīng)用MATLAB工具對(duì)協(xié)議的最佳信道數(shù)選取進(jìn)行仿真分析，NS2工具對(duì)協(xié)議的時(shí)延及吞吐量性能進(jìn)行仿真，網(wǎng)絡(luò)中SU分布在一個(gè)500 m× 500 m的矩形仿真區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為100 m×100 m，仿真時(shí)間40 s，仿真10次取平均值。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中MAC層參數(shù)設(shè)置與文獻(xiàn)[14]一致，N、s分別表示授權(quán)信道與認(rèn)知用戶數(shù)目，poff為授權(quán)信道空閑概率，Rdata與Rctrl為數(shù)據(jù)信道與控制信道的傳輸速率，t切換為切換時(shí)延，r為最高退避階數(shù)，PLCP、σ、SlotTime、SIFS與DIFS分別為物理層匯聚過(guò)程、信道空閑、時(shí)隙、最短幀間隔與DCF幀間隔長(zhǎng)度，CWmin與CWmax表示最小與最大退避窗口大小。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

5.2 最佳可用信道數(shù)m分析

首先對(duì)最佳可用信道數(shù)m進(jìn)行分析，對(duì)比在不同可用信道數(shù)情況下數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)應(yīng)的時(shí)延。圖4分別比較在授權(quán)用戶信道空閑概率為0.8、0.6以及授權(quán)信道總數(shù)在12、20的情況下，數(shù)據(jù)傳輸總的時(shí)延與感知獲得的可用信道數(shù)之間的關(guān)系。分析可知，當(dāng)感知可用信道數(shù)較小時(shí)，隨著m增加，時(shí)延急劇下降，當(dāng)下降到最低點(diǎn)之后，隨著m增加，時(shí)延快速增長(zhǎng)。這是因?yàn)閙較小時(shí)，每增加一個(gè)可用信道，增加了感知信道時(shí)間但同時(shí)大幅減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，而當(dāng)達(dá)到最佳可用信道之后，繼續(xù)感知可用信道雖然能減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，但減少的幅度減小，且繼續(xù)感知信道獲得多1個(gè)可用信道的感知時(shí)間的增幅仍保持在一定范圍之內(nèi)，因此，隨著感知可用信道數(shù)m的增加，總的傳輸時(shí)延增加。

圖4 可用信道數(shù)—傳輸延遲

在實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的參數(shù)下，當(dāng)授權(quán)用戶信道總數(shù)N=20，信道空閑概率p=0.8的情況下，最佳可用信道數(shù)m=4；當(dāng)N=12，信道空閑率分別為0.6與0.8時(shí)，最佳可用信道數(shù)m分別為3和4。當(dāng)授權(quán)信道空閑概率降低時(shí)，每感知獲得可用信道所耗時(shí)長(zhǎng)要增加，而所帶來(lái)了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)減小的收益僅與可用信道數(shù)量相關(guān)。因此，當(dāng)空閑概率降低時(shí)，相應(yīng)最佳信道數(shù)量會(huì)相比空閑概率高時(shí)減少。如圖5所示，當(dāng)授權(quán)信道數(shù)N=20情況下，最佳可用信道數(shù)、相應(yīng)需感知信道數(shù)以及傳輸延遲這三者與授權(quán)信道空閑率的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著概率p的增加，m相應(yīng)增加，同時(shí)獲得最佳可用信道數(shù)m所需感知的信道數(shù)n，可以看出在m相同的情況下（如p=0.3與p=0.4情況下，m均為2），空閑概率小時(shí)需要感知的信道數(shù)要大（如p=0.3時(shí)，n大于10，而當(dāng)p=0.4時(shí)，n接近于7）。同時(shí)，隨著授權(quán)信道空閑率的增加，在使用最佳可用信道數(shù)的情況下，傳輸延遲逐漸遞減，這是在空閑概率增大的情況下，感知更少的信道就能獲得較多的可用信道，這樣使感知時(shí)間減少同時(shí)又帶來(lái)了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的急劇減少。

圖5 不同信道空閑率—最佳可用信道

5.3 傳輸延遲分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中授權(quán)信道的總數(shù)N為20，信道空閑概率poff均為0.8，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為50，節(jié)點(diǎn)均勻分布在部署區(qū)域，比較LD-SAS方案與傳統(tǒng)未基于信道聚合的認(rèn)知MAC（即CogMAC）協(xié)議。LD-SAS方案采用感知得到最佳可用信道數(shù)后開始競(jìng)爭(zhēng)信道進(jìn)入傳輸，CogMAC協(xié)議只要感知得到一個(gè)可用數(shù)據(jù)信道即進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)信道接入階段，觀察隨著待傳輸數(shù)據(jù)分組的大小變化這二者的端到端延遲性能。

從圖6可以看出隨著數(shù)據(jù)分組大小增大，采用LD-SAS方案?jìng)鬏斞訒r(shí)逐漸增加但是幅度較小，而采用CogMAC協(xié)議，延遲的增大幅度非常明顯。這是由于當(dāng)數(shù)據(jù)分組增大時(shí)，利用多信道聚合傳輸，信道帶寬成倍增長(zhǎng)，相應(yīng)的傳輸速度成倍增加，因此延遲增加幅度較小。由此可知，LD-SAS方案在數(shù)據(jù)傳輸延遲方面的性能優(yōu)勢(shì)明顯，適用于多媒體等大數(shù)據(jù)量低延遲等實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 端到端延遲性能比較

5.4 實(shí)時(shí)保障分析

接下來(lái)分析頻譜接入方案保障業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)需求的性能。設(shè)定實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)允許的延遲為30 ms，觀察隨著待傳輸數(shù)據(jù)分組的大小與授權(quán)頻譜空閑概率的變化，LD-SAS與CogMAC二者的性能。如圖7所示，深色陰影區(qū)域?yàn)闀r(shí)延超過(guò)30 ms的情況，可以看出在相同情況下，CogMAC協(xié)議隨著數(shù)據(jù)分組大小的增加、頻譜空閑概率的減小時(shí)延急劇增加，大半情況都無(wú)法保障實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS需求，而本文提出的LD-SAS策略僅在空閑概率小于0.5且數(shù)據(jù)分組大于1 000 byte的情況下，無(wú)法保障業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。通過(guò)比較可以看出，LD-SAS在實(shí)時(shí)性保障方面的性能遠(yuǎn)優(yōu)于CogMAC。

5.5 吞吐量性能分析

下面比較2種協(xié)議隨著授權(quán)信道空閑概率poff與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化，網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化情況。從圖8(a)可以看出，隨著授權(quán)信道空閑率的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量明顯增加。同時(shí)，在授權(quán)信道空閑概率較小的情況下，LD-SAS相較于CogMAC協(xié)議吞吐量略小，這是因?yàn)楫?dāng)授權(quán)信道空閑率較小時(shí)，LD-SAS獲得多個(gè)可用信道（如在poff=0.3時(shí)，最佳可用信道為2）所花費(fèi)的感知與接入時(shí)間相較于CogMAC協(xié)議要多，相應(yīng)吞吐量也略小，而poff增加，LD-SAS平均接入每個(gè)可用信道的感知時(shí)間與競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間之和減小，相比CogMAC協(xié)議吞吐量有明顯增幅。因此，本文提出的方案在授權(quán)信道空閑率較大時(shí)，吞吐量性能較優(yōu)。

圖8(b)比較在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變情況下，授權(quán)信道空閑概率為0.6（即此時(shí)協(xié)議吞吐量性能基本相同）時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的情況?？梢钥闯觯?dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小情況下，二者的吞吐量性能基本相同，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大到飽和狀態(tài)之后，CogMAC協(xié)議相較于LD-SAS協(xié)議，吞吐量略有優(yōu)勢(shì)，這是由于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸增大時(shí)，LD-SAS協(xié)議采用基于多個(gè)數(shù)據(jù)信道聚合的方式進(jìn)行傳輸，在接入控制的過(guò)程中，發(fā)生信道碰撞的幾率相對(duì)增加，數(shù)據(jù)成功接入的概率減小，從而使吞吐量減小。

圖7 協(xié)議實(shí)時(shí)保障性能比較

圖8 協(xié)議吞吐量比較

6 結(jié)束語(yǔ)

MAC層設(shè)計(jì)是認(rèn)知用戶高效共享授權(quán)頻譜，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入的關(guān)鍵，本文針對(duì)高寬帶業(yè)務(wù)傳輸實(shí)時(shí)性的需求，提出低延遲MAC層頻譜接入方案。本文的工作主要包括2個(gè)部分：一是基于頻譜聚合技術(shù)，依據(jù)待傳輸業(yè)務(wù)量的大小選取認(rèn)知用戶最佳可用信道，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸延遲最小化；二是通過(guò)信道接入競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)與鄰居節(jié)點(diǎn)協(xié)同偵聽機(jī)制，減小多信道協(xié)議中的信道沖突與“聾終端”問(wèn)題的影響，避免重傳從而降低接入延遲。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了協(xié)議傳輸延遲與吞吐量性能。

本文提出的LD-SAS方案依據(jù)認(rèn)知用戶待傳輸業(yè)務(wù)量的大小確定頻譜感知的信道數(shù)量，從而減小延遲。而對(duì)于多種類型業(yè)務(wù)共同接入CRN網(wǎng)絡(luò)，如何進(jìn)一步擴(kuò)展協(xié)議功能，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的服務(wù)區(qū)分能力，是下一步工作的重點(diǎn)。

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