王亮，盛敏，張琰，馬驍

(西安電子科技大學 綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

1 引言

隨著無線通信業(yè)務的激增，可用的無線頻譜越來越緊缺，成為制約現(xiàn)代無線通信發(fā)展的瓶頸。然而已分配的頻譜利用率低下[1]，為此，認知無線電應運而生。該技術允許認知用戶或者次級用戶(SU,second user)在不干擾授權用戶或主用戶(PU, primary users)傳輸?shù)那闆r下，機會地利用頻譜空洞進行通信[2]。認知無線電網(wǎng)絡(CRN, cognitive radio network)以認知無線電為基礎，提供了一個解決無線頻譜稀缺性與已分配頻譜低效利用之間矛盾的有效途徑。而認知多址接入?yún)f(xié)議是認知無線電網(wǎng)絡中一個重要研究方向。在限制SU對PU干擾的前提下，它研究如何及時有效地發(fā)現(xiàn)頻譜空洞并且動態(tài)公平地調(diào)度多個SU來最大化對空閑頻譜的利用率。

目前，關于認知多址接入?yún)f(xié)議的研究較多關注基于多信道的認知無線電網(wǎng)絡。針對該場景，已有的研究提出一種包含公共控制信道(CCC, common control channel)(即預約信道)和數(shù)據(jù)傳輸信道(本文中不區(qū)分空閑信道，數(shù)據(jù)傳輸信道、數(shù)據(jù)信道以及授權信道，均指的是PU不占用時的空閑授權信道)的混合多址接入?yún)f(xié)議架構。Su等人在文獻[3]綜合考慮了頻譜感知和MAC(medium access control)層的數(shù)據(jù)分組調(diào)度，提出了跨層的多址接入?yún)f(xié)議。其在控制信道上采用p-persistent CSMA預約，在每個數(shù)據(jù)信道傳輸一個固定長度的數(shù)據(jù)分組。Hamdaoui等人在文獻[4]提出了OS-MAC協(xié)議。該方案在控制信道上基于預設窗口周期來傳輸控制信息協(xié)調(diào)SU，在數(shù)據(jù)信道上采用IEEE 802.11 DCF basic access mode (無RTS(request to send)/ CTS(clear to send))進行數(shù)據(jù)傳輸。Zhang等人在文獻[5]提出了CREAM-MAC協(xié)議。該協(xié)議在控制信道上采用了4次握手協(xié)議實現(xiàn)SU之間的信道預約，在數(shù)據(jù)信道上SU在其所預約的每個空閑信道上均傳輸一個定長數(shù)據(jù)分組。

然而，已有的工作大多數(shù)沒有考慮或者忽略了控制信道和數(shù)據(jù)傳輸信道之間的不一致性。即控制信道具有好的傳輸條件并不能夠保證數(shù)據(jù)信道也同時具有好的傳輸條件。而且已有的大多數(shù)認知多址協(xié)議都未曾考慮如何對抗空閑授權信道上的衰落特性以及如何充分利用多個空閑信道間異質(zhì)化的傳輸速率。這些問題嚴重地制約了此類MAC協(xié)議的性能。

要高效地利用多個數(shù)據(jù)信道上差異化的傳輸能力，自適應傳輸成為一個較好的解決途徑。然而，本文研究的分布式認知網(wǎng)絡場景下所需的速率自適應方案應該適合以下特征：1）認知網(wǎng)絡空閑頻譜具有很強的時效性和較大的頻域跨度；2）SU預約一次可使用多個信道進行傳輸，故需要在多個不同信道上同時進行速率自適應；3）信道預約和數(shù)據(jù)傳輸是分離的，故信道預約過程中采用的交互信息不能夠獲得數(shù)據(jù)傳輸信道的信噪比(SNR, signal-to-noise ratio)；4）SU在所有數(shù)據(jù)信道上的傳輸時間是相同的，即其他SU對該SU使用的數(shù)據(jù)信道設置相同的NAV(network allocation vector)。

針對上述問題，本文提出了一種基于數(shù)據(jù)信道狀態(tài)感知的多信道認知MAC協(xié)議(CAM-MAC,channel aware multi-channel MAC protocol)。在控制信道上，該協(xié)議通過兩次握手一方面使SU發(fā)送端和接收端交互了空閑信道信息，另一方面完成了對二者公共空閑信道的預約，與CREAM MAC[5]相比減少了兩次握手，提高了SU在控制信道上的預約效率(單位時間內(nèi)能成功預約的SU傳輸對個數(shù)的均值)。在數(shù)據(jù)信道上，針對本文場景下速率自適應問題的特殊性，該協(xié)議提出了基于瞬時SNR的速率自適應機制，通過在每個數(shù)據(jù)信道上引入了兩次握手來獲知各個信道的瞬時傳輸能力，進而采用跨層設計思想將物理層（PHY層）和MAC層進行聯(lián)合調(diào)度，根據(jù)信道的傳輸能力在其上傳輸對應數(shù)目的數(shù)據(jù)分組，從而高效地利用了多個數(shù)據(jù)信道上異質(zhì)化的傳輸速率。同時，該機制解決了預約信道和數(shù)據(jù)信道傳輸條件不一致性問題。

2 系統(tǒng)模型和假設

考慮一個包含兩類用戶(PU和SU)的分布式多信道認知網(wǎng)絡場景。假設SU采用交替使用方式(interweave paradigm)，即SU只能夠利用空閑的授權信道進行數(shù)據(jù)傳輸[6]。

2.1 PU信道占用模型

假定系統(tǒng)中有W個相互正交且?guī)捪嗟鹊氖跈嘈诺?，每個信道增益服從Nakagami衰落分布(該模型具有廣泛的代表意義)。記CHtotal為整個授權信道的集合。SU的數(shù)目為u。每個PU使用一個授權信道進行數(shù)據(jù)傳輸。PU的業(yè)務模型可以建模為一個ON/OFF更新過程，其中ON狀態(tài)是指PU使用該授權信道進行數(shù)據(jù)傳輸，而OFF狀態(tài)表示該授權信道未被PU占用。假設在所有授權信道上PU在ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)的逗留時間服從獨立同分布的指數(shù)分布。PU在不同授權信道上ON狀態(tài)的平均逗留時間相等，記為同樣地，PU在OFF狀態(tài)逗留時間的均值相等，記為因此每個授權信道的利用率為

2.2 頻譜感知模型與協(xié)作感知

目前，有很多方法能解決認知網(wǎng)絡中的頻譜感知問題，如能量檢測、小波檢測、壓縮感知以及匹配濾波器等[7]。能量檢測實現(xiàn)簡單且不需PU的先驗信息，故本文采用該方法進行頻譜感知并且使用雙閾值能量檢測方案[8]。

假定每個SU具備一個軟件無線電(SDR, software defined radio)收發(fā)機和n個傳感器。該SDR收發(fā)機能夠切換到任意一個授權頻段上進行通信。這n個傳感器可以同時感知n（n≤W）個授權信道。

此外，本文采用了協(xié)作頻譜感知方法[5]。該方法內(nèi)嵌于預約信道的優(yōu)化握手機制之中。一開始，每個SU從所有授權信道中隨機選擇n個信道進行感知，稱這n個信道為一個信道組。同時，SU可偵聽控制信道并結合自身的感知和傳輸結果，不斷更新PU在每個授權信道上使用信息從而選擇合適的信道進行感知。

2.3 空閑信道最大接入持續(xù)時間

SU的信道接入持續(xù)時間定義為從SU發(fā)端開始在空閑信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡涫盏较鄳狝CK之間的時間間隔。為了限制SU對PU傳輸?shù)母蓴_，需保證SU和PU的碰撞概率小于某個預先給定的閾值。當接入持續(xù)時間越長，則SU與PU碰撞的概率越大，故SU的接入持續(xù)時間應受到限制。

記T1和T2分別表示授權信道最近一次從ON狀態(tài)轉(zhuǎn)到OFF狀態(tài)的時刻和SU最近一次感知該信道的時刻。SU在第i個信道上的接入持續(xù)時間用來表示。給定第i個授權信道在T2時刻空閑，則SU傳輸與PU傳輸發(fā)生碰撞的概率為

據(jù)此，給定n個授權信道均空閑，則可得SU接入這n個信道時，至少有一個信道被PU占用的概率為

根據(jù)式(2)，可得SU的最大接入持續(xù)時間為

可見，隨著SU感知的信道組中最大空閑信道數(shù)目n的增加，最大接入持續(xù)時間應相應減小，以保證SU接入n個空閑信道時與PU碰撞的概率均小于給定閾值。

假定SU使用n個感知信道中所有空閑信道，且所有信道的接入持續(xù)時間相同。由于所有的授權信道被PU均等占用，故可用在后續(xù)文中表示SU的最大接入持續(xù)時間。該持續(xù)時間的取值僅與SU感知的信道數(shù)目n有關。但是當n給定時，根據(jù)式(3)可確定對應的SU可根據(jù)該值來確定相應空閑信道上NAV的取值。

2.4 空閑信道上數(shù)據(jù)傳輸

通過協(xié)作感知，SU可獲得當前空閑信道數(shù)目，進而機會地接入這些頻譜空洞進行數(shù)據(jù)傳輸。一般來說，空閑信道在頻域上是不連續(xù)的。然而，通過采用D-OFDM技術[9]，每個SU能夠在多個不連續(xù)的空閑信道上同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)分組。此外，由于每個信道存在Nakagami衰落，SU能夠在特定空閑信道上成功發(fā)送數(shù)據(jù)分組的個數(shù)取決于該信道上SU收發(fā)端之間的信道狀態(tài)信息(CSI, channel state information)。

3 CAM-MAC協(xié)議介紹

CAM-MAC協(xié)議采用混合多址接入?yún)f(xié)議架構，設計了兩層4次握手機制。圖1描述了CAM-MAC協(xié)議的具體傳輸流程。第一層為控制信道上優(yōu)化的RTS/CTS握手機制，用于協(xié)調(diào)SU對數(shù)據(jù)信道進行預約。第二層是在空閑數(shù)據(jù)信道上基于CT(channel training)/TP(transmission parameter)的交互，用于對抗數(shù)據(jù)信道的Nakagami衰落且高效利用這些信道上差異化的傳輸速率。

3.1 控制信道上優(yōu)化的握手機制

公共控制信道可采用ISM(industrial scientific medical)頻段，如IEEE 802.11 a/b/g所占用的頻段，或者信道利用率最低的授權信道。本文不深入研究如何設計和選擇哪個信道作為公共控制信道，只是假定總存在一個可靠的控制信道。

控制信道上的預約機制不僅要保證SU發(fā)端與SU收端成功交互空閑信道信息，還要對數(shù)據(jù)信道進行預約，使其他偵聽控制信道的SU能在相關空閑信道上正常設定NAV的數(shù)值。此處只有需在SU發(fā)端所預約的數(shù)據(jù)信道上進行傳輸?shù)腟U設置相應NAV。如圖1所示，所有SU預約數(shù)據(jù)傳輸信道的傳輸時間均固定為，即所有偵聽預約信道且需要設置NAV的SU的NAV值均相等。固定長度的NAV易于實現(xiàn)而且體現(xiàn)了SU之間的公平性。但SU在預約時間內(nèi)具體傳輸數(shù)據(jù)分組的個數(shù)取決于當時該信道的CSI。

圖1 CAM-MAC協(xié)議發(fā)送流程

CAM-MAC協(xié)議采用優(yōu)化的RTS/CTS機制來預約空閑信道和避免隱藏終端問題。該協(xié)議擴展了傳統(tǒng)IEEE 802.11 DCF中的控制幀長度以填充SU收發(fā)端的空閑授權信道信息。具體來講，RTS中承載SU發(fā)端感知信道列表信息，而CTS中包含SU收發(fā)端的公共空閑信道信息。與CREAM MAC相比，本協(xié)議在預約信道上減少了兩次握手從而降低了控制信道的預約時長即提升了預約效率。具體分析將在4.2節(jié)中給出。

當SU發(fā)端有數(shù)據(jù)要發(fā)送且n個感知信道中至少有一個空閑且預約信道空閑時，SU發(fā)端先隨機初始化一個退避值。當在一個時隙內(nèi)控制信道空閑且SU的信道組中至少有一個信道空閑時，該退避計數(shù)器減1。當退避計數(shù)器為0且控制信道空閑時，SU在其上發(fā)送RTS幀(該RTS中包含SU發(fā)端感知信道列表信息)。SU收端成功接收RTS幀后，如果其感知的信道中至少有一個和SU發(fā)端相同的空閑信道，則該SU收端在等待一個短幀間隔SIFS (short interframe space) 后向SU發(fā)端回復CTS幀(該CTS幀內(nèi)嵌SU收發(fā)端的公共空閑信道列表)；否則，SU收端不回復任何信息。如果SU發(fā)端在發(fā)送RTS之后的DIFS(DCF interframe space)時間內(nèi)未收到CTS，則SU發(fā)端認為發(fā)生碰撞。當完成RTS/CTS交互后，SU收發(fā)端不僅獲得了其公共空閑信道列表也預約了空閑授權信道。

在偵聽控制信道的RTS/CTS交互后，其他SU不僅可以獲知當前空閑授權信道的信息，而且能夠確定預約空閑信道上相應的NAV值(即給定n時，相應的最大接入持續(xù)時間固定)。此場景下存在多信道隱藏終端問題，故本協(xié)議規(guī)定SU在其空閑信道組上傳輸完畢后，仍需在內(nèi)保持感知該信道組。之后，該SU可以選擇其他信道進行感知。這樣，剛進行完數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟U不會由于沒有偵聽到控制信道預約信息而再次預約已被其他SU預約的空閑信道。

此外，本協(xié)議中所有SU在控制信道上進行預約的機會均等而且預約的傳輸時間也相等，故SU之間的公平性是可以得到保障的。

3.2 空閑信道上的自適應傳輸

針對多信道認知網(wǎng)絡場景下的特點，本文設計的數(shù)據(jù)信道上基于CT/TP的握手流程如圖1所示。該握手機制是為了對數(shù)據(jù)信道進行估計以便SU發(fā)端確定各個空閑信道上合適的調(diào)制方式從而充分利用多個信道上異質(zhì)化的傳輸速率進而提高SU數(shù)據(jù)傳輸速率。假定SU的信道估計是準確的。為了保證其他SU在該SU預約的每個數(shù)據(jù)傳輸信道上設定相同的NAV，本協(xié)議中通過物理層和MAC層的跨層設計來實現(xiàn)上述所述目標。SU的具體操作流程如下。

在控制信道上預約成功之后，SU發(fā)端在每個預約的數(shù)據(jù)信道上以基本傳輸速率basicR均發(fā)送一個CT幀。當成功接收到CT后，SU收端的物理層根據(jù)CT中信息(假定SU收發(fā)端在發(fā)送之前均已知CT中的內(nèi)容)估計各個空閑授權信道上的CSI進而獲得瞬時的SNR，并根據(jù)該值確定每個信道上的發(fā)送參數(shù)(即每個空閑信道上適合采用的調(diào)制方式類型)。之后，SU收端的物理層將該參數(shù)傳遞給MAC層，MAC層將該發(fā)送參數(shù)寫入不同信道對應的TP幀中，且由物理層在對應的信道上以basicR回復TP幀。如果SU收端在某個預約空閑信道上沒有收到CT幀，則認為該信道處于中斷狀態(tài)，故不在其上向SU發(fā)端回復TP幀。

隨后，當接收到TP幀后，SU發(fā)端MAC層將各個空閑信道的發(fā)送參數(shù)傳遞給物理層，物理層根據(jù)該信息確定每個信道上對應的調(diào)制方式。同時，SU發(fā)端MAC層將對應數(shù)目的數(shù)據(jù)分組傳遞給物理層。物理層根據(jù)對應的調(diào)制方式將在相應的空閑信道上發(fā)送對應數(shù)目的數(shù)據(jù)分組。

最后，SU收端的物理層根據(jù)對應的解調(diào)方式在各個空閑信道上接收這些數(shù)據(jù)分組，將這些數(shù)據(jù)傳給MAC層之后在各個接收信道上回復ACK。

當SU發(fā)端緩存中分組的個數(shù)小于所預約的數(shù)據(jù)信道能夠傳輸?shù)淖畲笃谕麄€數(shù)時，SU發(fā)端在CT特定區(qū)域填充緩存中分組的個數(shù)。之后，SU收端根據(jù)CT中SU發(fā)端緩存中分組的個數(shù)和當前CSI下所有數(shù)據(jù)信道能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的最大數(shù)目，確定每個信道應該使用的調(diào)制方式。原則是如果此時要傳的分組個數(shù)小于當前數(shù)據(jù)信道能夠傳輸?shù)姆纸M個數(shù)，則選擇合適的低階調(diào)制使得SU發(fā)端恰好一次可將其緩存中數(shù)據(jù)分組傳完，否則僅根據(jù)CSI確定每個信道的調(diào)制方式。采用低階調(diào)制是為了在非飽和場景下降低SU發(fā)端的功率消耗。

4 CAM-MAC協(xié)議性能分析

CAM-MAC協(xié)議一方面在CCC上采用優(yōu)化的RTS/CTS來降低平均成功預約時長來提升預約效率，另一方面在預約的數(shù)據(jù)信道上引入CT/TP交互以便采用基于瞬時SNR的自適應傳輸來提升SU傳輸速率，同時解決了預約信道與數(shù)據(jù)信道的不一致性。此二者共同提升了CAM-MAC協(xié)議的性能。此節(jié)在理論上分析CAM-MAC協(xié)議的飽和吞吐量。

4.1 數(shù)據(jù)信道等效傳輸速率分析

假定所有授權信道的帶寬均為1 MHz。假定每個授權信道是塊Nakagami衰落，換言之，每個空閑信道的CSI在一次數(shù)據(jù)傳輸過程中保持不變，但是在不同的數(shù)據(jù)傳輸過程中隨機變化。假定SU采用M-QAM(M=2i,i=1,…,6)調(diào)制方式，其中，M表示QAM調(diào)制中星座點的個數(shù)。M=0表示信道中斷即沒有數(shù)據(jù)傳輸。定義基本速率Rbasic=1Mbit/s為當SU在空閑信道上采用2-QAM（即BPSK）調(diào)制時對應的傳輸速率，則M=2i,i=1,…,6對應的傳輸速率為Ri=i×RbasicMbit/s。

SU數(shù)據(jù)分組的長度相等且固定。其長度為當SU采用基本信道速率Rbasic在最大接入持續(xù)時間內(nèi)能夠傳輸?shù)膬舯忍財?shù)，表示為其中，當感知信道數(shù)目n給定時最大信道接入持續(xù)時間。故當采用M-QAM(M=2i,i=1,…,7)調(diào)制方式時，SU可一次在單個信道上傳輸i個數(shù)據(jù)分組，且SU收端僅用一個ACK來確認這i個數(shù)據(jù)分組。

當采用基于瞬時SNR的自適應傳輸時，需計算SU在每個Nakagami衰落信道上的等效傳輸速率。首先要根據(jù)SU的誤碼率(BER, bit error rate)要求確定在空閑信道上每種調(diào)制方式適用的信噪比SNR范圍。為此，需計算不同的調(diào)制方式在Nakagami衰落信道下BER隨SNR變化的性能曲線。

在完美的時鐘和載波恢復機制下，采用二維格雷碼的相干M-QAM在加性高斯白噪聲(AWGN,additive white Gaussian noise)信道下無信道編碼的BER性能可近似為[10]

其中，γ表示接收SNR。

此外，衰落信道下BER性能可以通過對其在AWGN信道下BER性能表達式在相應的衰落分布下進行積分而得到[11]，則有

其中，()pγγ為接收SNR的概率密度函數(shù)。

當信道增益服從Nakagami衰落時，接收SNR服從gamma分布，可表示為[12]

其中，m是Nakagami分布參數(shù)(m≥1/2)，()?！な莋amma函數(shù)。此外，當m=1時，Nakagami分布也是Rayleigh分布。

將式(4)和式(6)代入式(5)可得，在Nakagami衰落信道中BER性能曲線。之后，可根據(jù)SU的BER要求計算各種調(diào)制方式的SNR閾值從而確定每種調(diào)制方式適合發(fā)送的SNR范圍。定義γ0=0和γ8=+∞ 。當SU的接收SNRγ∈（γi，γi+1），i =0,1，…,7時，則SU在M-QAM調(diào)制方式中選擇M=2i-1,i=2,…,7對應的調(diào)制方式進行傳輸。當γ＜γ1時，信道處于中斷狀態(tài)，故沒有數(shù)據(jù)傳輸。將式(5)在每種調(diào)制方式對應的SNR區(qū)間內(nèi)進行積分，可得使用該調(diào)制方式的概率pid=ifPr{γ| γ∈(γi, γi+1),i=0,1,…,7}。故當采用自適應傳輸時，每個Nakagami衰落信道上的等效傳輸速率為

當SU發(fā)端不知瞬時CSI時，SU不知瞬時的接收SNR如何變化故只能僅根據(jù)SNR的均值采用自適應傳輸，此時SU只能根據(jù)該平均接收SNR來選擇一種最佳的調(diào)制方式，其為此時平均傳輸速率為

4.2 平均成功預約時長分析

不同的預約機制將會引入不同的開銷，從而影響多址接入?yún)f(xié)議的性能。認知多址協(xié)議的預約機制需要完成2個任務：1)使SU收發(fā)端成功交互空閑信道信息；2)預約空閑數(shù)據(jù)信道來解決隱藏終端問題。一般來說，一種握手機制所引入的交互次數(shù)越少且控制幀長度越短，則該握手機制的預約效率越高即平均成功預約時間越短?？紤]到預約機制的開銷與性能提升的折中，CAM-MAC協(xié)議采用一種長度擴展的RTS/CTS機制，而不是采用3次或者4次握手。

讓τ和p分別表示在任意選定的時隙給定SU在控制信道上發(fā)送控制幀的概率和一個已發(fā)送的控制幀在預約信道上碰撞的概率，則有[13]

其中，CWmin和m分別表示最小退避窗數(shù)值和最大退避次數(shù)。

據(jù)式(9)，可得在一個時隙給定至少有一個節(jié)點在傳輸時，一個成功預約出現(xiàn)的概率PS為

假定一個時隙的長度為σ。在該場景下，只有當預約信道空閑且SU所感知的n個授權信道中至少有一個空閑時，SU的退避計數(shù)器減去1。用σ′表示該場景下新的時隙長度，其表達式為

其中，Nbusy是在SU退避計數(shù)器兩次減少之間該SU所感知的所有授權信道都處于ON狀態(tài)所持續(xù)的隨機時隙數(shù)目。

根據(jù)文獻[5]中的分析，可得

其中，Pfa為虛警率，即當PU未占用信道時SU感知結果表明信道繁忙。將式(12)代入式(11)中，可計算在CAM-MAC協(xié)議中新的時隙長度。

用Tcoll和Tsucc分別表示SU在控制信道上一次碰撞所持續(xù)的時間和一次成功傳輸所持續(xù)的時間。根據(jù)圖1，可得

其中，RC表示SU在控制信道上的傳輸速率。

最終，SU在控制信道上一次成功預約的平均時長為

將式(13)代入式(14)中，可得CAM-MAC協(xié)議的平均成功預約時長。

4.3 最大吞吐量分析

由于總的授權信道數(shù)目為W而每個SU最多能夠感知n個授權信道，故在不考慮控制信道限制時，能夠同時傳輸?shù)腟U傳輸對的數(shù)目最大為其中，表示向下取整運算。

另一方面，控制信道也會對能同時通信的SU傳輸對的最大數(shù)目產(chǎn)生約束。在一個SU的傳輸期內(nèi)，控制信道上能夠成功預約的SU數(shù)目最多為

而CAM-MAC協(xié)議吞吐量取決于能同時進行傳輸?shù)腟U傳輸對數(shù)目以及每個SU傳輸對所能使用的空閑信道數(shù)目。

故需計算在SU一個信道組中平均空閑的信道數(shù)目。記S為SU所感知的n個授權信道中空閑的信道數(shù)目，其服從參數(shù)為1-α(1-Pfa)2的二項分布。則n個感知信道中有j個信道空閑的概率為，故S的平均值為E(S)=n(1-α(1-Pfa)2)。

在此場景下，最大吞吐量可以表示為

當預約信道飽和時，此時傳輸數(shù)據(jù)分組的時間也可由式(16)確定。故可得該場景下的最大吞吐量為

結合式(17)和式(18)，最終可以計算CAM-MAC協(xié)議的最大吞吐量為

5 仿真結果

本節(jié)通過數(shù)值分析和相關仿真來驗證CAMMAC協(xié)議的性能。其中，仿真參數(shù)如表1所示。漏檢率Pmd和虛警率Pfa均設置為0.001。

表1 相關仿真參數(shù)

首先，計算仿真中每個Nakagami衰落信道上的等效傳輸速率。假定SU的平均接收SNR=30 dB 且BER要求為10-3。在Nakagami衰落分布中取m=1即為Rayleigh衰落，此時根據(jù)4.1節(jié)分析，可計算采用各種調(diào)制方式的概率和SNR范圍如表2所示。

表2 選擇調(diào)制方式的參數(shù)

在此情況下，一些高階調(diào)制方式(如64-QAM)的使用概率很小，故沒有采用。此外，式(4)是節(jié)點未采用信道編碼時的性能曲線，故各種調(diào)制方式對應的SNR門限值比較大。如果收發(fā)端物理層均采用復雜的信道編碼如LDPC等，則每種調(diào)制對應的SNR門限會降低很多，此情況不是本文關注的重點，故未考慮。

當采用基于瞬時SNR的自適應傳輸時，SU可根據(jù)瞬時接收SNR值選擇使用表2中對應的調(diào)制方式。根據(jù)表2、式(7)和式(8)，可得等效傳輸速率為RE=2.0572×Rbasic，中斷概率為0.118 3。而當SU不知瞬時CSI僅知道SNR的均值時，即SU根據(jù)SNR均值采用自適應傳輸，此時SU選擇一直采用4-QAM進行傳輸，此時平均速率為Rave=1.3434×Rbasic，信道中斷概率為0.328 3。比較RE和Rave，可知基于瞬時SNR的自適應傳輸與基于統(tǒng)計信息的速率自適應相比，信道傳輸速率約有53%的提升且信道中斷概率明顯減小。

下面舉例說明在CAM-AMC協(xié)議中采用基于瞬時SNR的自適應傳輸帶來的增益。假設一個空閑授權信道的最大接入持續(xù)時間為5 ms且信道基本速率為1 Mbit/s。根據(jù)圖1所示交互過程和表1中相關仿真參數(shù)，先計算此情況下所引入的額外開銷為CT+TP+2SIFS×Rbasic=352 bit 。之后，計算在一次數(shù)據(jù)傳輸過程中，SU發(fā)端采用基于瞬時SNR的自適應傳輸與SU發(fā)端僅根據(jù)SNR的均值采用固定調(diào)制方式傳輸相比，能夠增加數(shù)據(jù)比特為

可見在數(shù)據(jù)信道上采用基于瞬時SNR的自適應傳輸引入的開銷較小而獲得的額外增益很大。而且當信道接入持續(xù)時間在合理的范圍內(nèi)增加時，相應的增益也隨之線性增加?？傊?，即使考慮到開銷，在數(shù)據(jù)信道上引入基于瞬時SNR的速率自適應是十分必要的。

為了說明控制信道上預約效率的提升，圖2比較了當退避窗口大小給定時，在不同SU數(shù)目下，CAM-MAC 2次握手預約機制和CREAM MAC中4次握手預約機制的平均成功預約時長。以此來衡量，可得CAM-MAC的預約方式在所有情況下都比CREAM MAC的預約方式有增益?？梢?，CAMMAC在控制信道上降低了平均成功預約時長即提升了預約效率，這也將提升該協(xié)議的整體性能。

圖2 預約信道上平均成功預約時間對比(CWmin=16和n=4)

圖3給出了本協(xié)議飽和吞吐量隨SU傳感器數(shù)目變化關系。仿真結果與分析結果基本吻合，驗證了理論分析的正確性。飽和吞吐量先隨SU傳感器數(shù)目的增加而線性增加，此時控制信道是制約吞吐量提升的主要因素。當傳感器數(shù)目增加到一定程度時，吞吐量保持不變，此時數(shù)據(jù)信道總數(shù)是制約吞吐量提升的主要因素。此外，控制信道傳輸速率的增加可進一步提升飽和吞吐量。特別地，當傳感器數(shù)目較少時，吞吐量提升的幅度較大。

圖4給出了CAM-MAC和在2種情況下CREAM MAC的吞吐量的分析比較。其中，“CREAM-ave”表示在衰落信道上SU采用基于SNR均值的自適應傳輸；“CREAM-org”表示SU在每個信道上采用1 Mbit/s的固定速率進行傳輸，即與文獻[5]相同?？梢娙叩娘柡屯掏铝烤S著退避窗的增加先增加之后減小。而且當SU數(shù)目給定時，存在一個最優(yōu)的退避窗大小。此外，CAM-MAC的吞吐量與其他二者相比，均有大幅提高。特別地，與采用基于SNR均值的自適應傳輸?shù)腃REAM MAC的吞吐量相比也有大幅提升，最高約有50%的提升。一方面由于預約信道上提升了預約效率；另一方面由于空閑信道上采用了基于瞬時SNR的自適應傳輸提升了SU的傳輸速率。二者共同提升了CAM-MAC的吞吐量。

圖3 CAM-MAC吞吐量隨傳感器數(shù)目變化曲線(min256 CW=,30Wu==且0.5α=)

圖4 飽和吞吐量比較(4n=,0.5α=, RE=2.057 2 Mbit/s,Rave=1.343 4 Mbit/s和Rorg=1.00 Mbit/s

圖5表明CAM-MAC協(xié)議的吞吐量隨PU信道利用率的增加而線性遞減。因為隨著PU占用信道更加頻繁，SU的傳輸機會相應減小。此外控制信道傳輸速率的提升以及SU傳感器數(shù)目的增加均能提升吞吐量。

圖6給出了CAM-MAC和CREAM MAC的平均數(shù)據(jù)分組時延的仿真比較，其中，平均數(shù)據(jù)分組時延包括在接入時延和排隊時延。圖中3條曲線代表的意義與圖4相同。由于控制信道上平均成功預約時長的降低和數(shù)據(jù)信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，CAM-MAC的平均數(shù)據(jù)分組時延比采用基于平均SNR的速率自適應傳輸?shù)腃REAM MAC（即圖中CREAM-ave對應的曲線）的平均數(shù)據(jù)分組時延低很多。同時由信道衰落引起的信道中斷概率對數(shù)據(jù)分組的平均時延有很大影響。CREAM-ave方案由于信道中斷概率高達0.328 3且平均信道速率較低，故平均分組時延最大。而CREAM-org方案中由于信道不存在衰落，故當SU的數(shù)據(jù)分組到達率較小時，其時延最??；但是隨著數(shù)據(jù)分組到達率的增加，其時延開始增加。然而在數(shù)據(jù)分組到達率較大時，CAM-MAC的時延最小，因為該方案雖然存在信道中斷但其等效傳輸速率比CREAM-org的傳輸速率大很多。

圖5 CAM-MAC吞吐量隨信道利用率變化關系(CWmin=256,W=u=30)

圖6 平均分組時延比較(CWmin=64,u=10,α=0.5且W=n=4)

6 結束語

本文在多信道分布式CRN中針對預約信道與數(shù)據(jù)信道的不一致性會降低此類協(xié)議性能的問題，提出了一種新型的CAM-MAC協(xié)議。該協(xié)議在數(shù)據(jù)信道上采用基于瞬時SNR值的自適應傳輸充分利用了多個信道間異質(zhì)化的傳輸速率并優(yōu)化了控制信道上的預約過程從而減輕了控制信道和數(shù)據(jù)信道不一致性對多信道MAC協(xié)議性能的影響。分析該協(xié)議的飽和吞吐量同時仿真驗證分析的正確性。分析表明，與已有相關協(xié)議相比，CAM-MAC協(xié)議的性能有顯著的提升。同時基于瞬時SNR的速率自適應機制更加適合認知網(wǎng)絡場景。

在下一步的研究中，將關注控制信道上退避機制的調(diào)整并引入?yún)f(xié)作傳輸來進一步提升此類認知MAC協(xié)議的性能。

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