摘 要： 針對目前對認知無線網絡公共控制信道研究較少的現狀，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用戶使用的前提下，根據信道空閑程度優先序列動態建立認知無線網絡公共控制信道的方法。用網絡行為仿真軟件OPNET建立基于該方法的完整的系統模型和仿真環境，根據仿真結果設計了基于“通信成功率”和“公共信道建立時間”加權的通信質量優化方案，提出了相應的歸一化性能函數，并以此為基礎確定了優化預設公共控制信道數目這一主要參數。
關鍵詞： 認知無線網絡；公共控制信道；優先級排序；優化
認知無線網絡CRN（Cognitive Radio Network）就是認知無線電的網絡化。其本質在于將認知無線電CR（Cognitive Radio）的關鍵技術（環境感知、智能接入等）應用于無線通信網絡的整體中去研究[1]。CRN能夠利用認知來獲取環境信息，通過對環境信息進行處理和學習做出智能決策，并據此重構網絡，實現對無線環境的動態適應。
與其他的無線網絡類似，CRN也需要通過一定的方式來實現網絡節點之間的互相協調和控制以保證通信的正常進行，這就是公共控制信道產生的根本原因。簡單地說，公共控制信道就是一個事先約定好的專門進行用戶基本信息交換和控制指令下發的通信信道。隨著網絡技術的發展，無線網絡中用于控制的開銷越來越大，公共控制信道的重要性也就越發凸顯。要想讓一個無線網絡能夠正常工作，其公共控制信道的暢通和便捷是必不可少的。
與傳統的無線網絡相比，CRN的公共控制信道有其自身特點，主要體現在以下幾點：
?。?）CRN的通信原理是CR，即對授權用戶頻譜“空穴”的二次利用。從這個角度來說，CRN公共控制信道的建立和使用也應當符合CR的基本原則，即不得影響授權用戶PU（Primary User）對該信道頻率的正常使用。
（2）在不影響PU對頻率的正常使用的前提下，CRN的控制信道也應該具備公共控制信道的一般特點，即信道暢通且可以被所有的網絡節點方便地使用或者監聽。
（3）相對于其他無線網絡，CRN在公共控制中需要用到更多的環境參數和控制信息。
目前關于CRN公共控制信道的設計主要有以下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[3]；
?。?）選擇一段免執照頻段作為公共控制信道；
?。?）采用超寬帶技術進行信令傳輸，以做到不干擾其他用戶，如參考文獻[4]。
這3種方案均有不盡人意之處。方案（1）嚴格意義上說已經不屬于認知無線電的范疇；方案（2）雖然可以避免干擾授權用戶，但是需要獨占公共控制信道，并且可能會和其他使用免執照頻段的設備產生串擾；方案（3）雖然解決了對授權用戶的干擾以及來自其他設備的串擾的問題，但是與數據通信完全不同的公共控制通信方式又額外增加了系統的成本和復雜度。
當前在這一領域的研究主要側重點在減少認知無線網絡用戶對公共控制信道的依賴性上。參考文獻[5]、[6]、[7]分別提出了不同的能量檢測協同算法，以在滿足認知用戶基本性能需要的前提下盡可能地降低對控制信道的依賴。目前對公共控制信道建立方法自身的研究還開展的比較少。雖然參考文獻[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，有計算復雜度高以及在認知用戶節點CU（Cognitive User）增加時性能下降較為嚴重等缺點，缺乏實際應用價值。
1 CRN公共控制信道的動態建立方法
針對當前的研究現狀，本文提出了一種簡單快速的CRN建立公共控制信道的方法。在CRN中，公共控制信道也應該是具有認知特性，不能干擾到PU的正常使用，因此，公共控制信道的建立是動態的。
本文所設置的研究場景為：CRN為基站BS（Base Station）集中式控制下的點對點通信網絡。即由基站負責覆蓋區域內認知信道的檢測，并在收到來自認知節點的通信請求后，向收發雙方認知節點下發通信許可和最優通信頻譜。假設所有的CRN節點（包括BS）均可以與其他節點建立通信，忽略隱終端和暴露終端問題，并假設所有的干擾均來自授權用戶，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知節點的紐帶。
本文的公共控制信道建立的整體思路是：根據頻譜感知獲得的先驗知識將所有的認知信道按照其是否適合作為公共控制信道的程度進行排序，確定預設所有信道被選為公共控制信道的優先級，節點和基站再根據此優先級完成公共控制信道的建立。排序的依據是認知信道在一個時間周期內的空閑時間的長短，由此確定這些認知信道作為CRN的公共控制信道的適合程度。顯然，在一個周期內，PU活躍時間越短的信道在CRN中就越穩定，也就越適合作為公共控制信道。按照適合程度將CRN中的認知信道進行排列，并優先使用最適合的信道作為公共控制信道。根據這個方法可以將按照優先級排列好的認知信道記作C1，C2……Cn，并通過程序的形式寫入CRN的基站和各個節點。
公共控制信道的建立過程如下：
?。?）CRN的BS在默認的最高優先級公共控制信道等待來自CU的接入請求，并同時對該信道進行能量檢測。
?。?）BS一旦檢測到最高優先級信道被PU使用，則自動切換至次高優先級公共控制信道等待，以此類推。
?。?）當BS在非最高優先級公共控制信道等待時，還將對高于該信道優先級的其他信道進行監聽，一旦監聽到更高優先級的信道空閑，則自動切換至優先級較高的信道作為公共控制信道等待，公共控制信道的動態轉移如圖2所示。
（4）CU在試圖同其他節點通信之前，首先要通過控制信道同BS取得聯系。在這個過程中，CU將首先對最高優先級控制信道進行偵聽，如果偵聽到信道為空閑，則將在最高優先級控制信道上同BS取得聯系，控制信道建立成功。
?。?）如果偵聽結果為信道忙碌或者通信失敗，則CU認為基站忙碌或者最優通信信道被PU占用，如果檢測到基站忙碌，則CU等待一段時間；如果是信道被PU占用，則CU自動切換至次優通信信道與BS聯系，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間兩個指標去評價公共控制信道建立方法的通信質量。通信成功率就是CU發起的所有通信請求中最終成功建立公共控制信道的請求次數的比例。公共信道建立時間則指的是從CU發起通信請求到公共控制信道成功建立這一過程所需要花費的時間。
根據上述環境參數，令M=10，即仿真環境中有10個可用認知信道。圖4和圖5分別給出了在CU數目P不同的情況下，平均公共信道建立時間（lavg）和平均通信成功率（Savg）隨預設控制信道數目N的變化。
從圖中可以總結出，預設控制信道數目N越大，lavg會有所增加。這是因為CU在較高優先級的預設控制信道通信失敗后就會轉而使用較低優先級的預設控制信道，從而消耗了更多的時間。同理，N越大，所有預設控制信道均不可用的可能性就越小，Savg就越大。但是與通信延時不同的是，這個增加的幅度會隨著認知信道數目的增加而呈現出較為明顯的邊際效應遞減趨勢。
可見，最優控制信道數目N*并非是一個一成不變的值，而是根據可用認知信道數目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網絡系統正常運轉的神經中樞。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制方式的CRN的動態的公共控制信道建立方法，并給出了最優化方案的設計、計算方法和結果，對于未來的CRN理論完善和網絡的建立有一定的指導意義。由于時間和作者能力的限制，本文未對CU間的通信沖突導致通信質量下降的問題進行深層次的研究和改進。這將作為未來工作的改進方向。
參考文獻
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