文獻標識碼: A
隨著無線通信業務需求的快速增長，頻譜資源變得日益匱乏。但與此同時，美國聯邦通信委員會(FCC)的調查研究表明，在大多數時間里，許多授權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)技術通過將授權頻譜伺機分配給一組認知(未授權)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上傳輸的每個分組分成數據域和控制域兩個部分，對數據域部分采用基于發射端的擴頻碼字對其進行擴頻,同時還引入了聯合檢測的思想[8]；對控制域部分則分別采用了5種不同的信道接入策略。通過理論分析和數值仿真評估了RAC上的成功接入概率和系統的吞吐量性能。
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)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?，采用RAC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上的傳輸內容?？紤]到參考文獻[7]給出的RAC上信息分組的結構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構上分為兩部分：控制域和數據域。在無線傳輸環境下，認知用戶的數目和它們的拓撲位置隨時會發生變化，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行過程中都需要考慮進去。這里，為了更全面地評估系統性能，分組的控制域部分分別采用了5種不同的信道接入協議。如果主(授權)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(請求發送)/CTS(確認發送)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。分組域部分的數據則是通過擴頻碼進行擴頻傳輸的，即選用一組PN碼構成發射碼集，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據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據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信道接入協議為例進行說明。認知用戶首先打開接收機，將其調諧到RAC占用的信道上。當某個認知用戶需要占用未授權頻段進行信息傳輸時，它先偵聽信道，若控制域狀態為“忙”，認知用戶將采用二進制指數后退算法延遲發送，直至狀態為“空閑”，則在RAC上發送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，同時將其接收機調諧到RAC上以偵聽其他認知用戶發送的無線資源占用情況。
2 性能分析
本節將對認知用戶成功接入RAC的概率和系統吞吐量性能進行分析。
考慮一個網絡覆蓋面積為A的圓形區域，其中均勻分布著N個認知用戶。為描述方便，下面統一將認知用戶稱之為節點。節點的空間分布密度為：
其中，Pt為發射功率，Gt、Gr分別為發射天線和接收天線增益，λc=c/fc為波長，n為路徑損耗指數。同時，為了在RAC上能可靠地偵聽到其他節點的信息發布，規定此節點的接收功率必須大于門限值Pthreshold。則任一節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的控制域部分發送RTS/CTS控制分組時，將會產生碰撞。下面考慮節點的分組到達率(λ分組/秒)服從泊松分布的情形。
(1)控制域采用Aloha協議，則RTS/CTS成功接入RAC的概率為:
定義聯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，不超過K個分組共存的概率為:
3 數值仿真與結果分析
為了對改進的RAC算法進行性能仿真,給出仿真參數如表1所示[7]。
圖1給出了發射功率對成功接入RAC概率的影響。從圖中可以看出：當數據域和控制域的長度比值f取值較小時，節點成功接入RAC的概率較大。同時還可看出：隨著發射功率的增加，節點成功接入RAC的概率較小，即系統性能迅速惡化。
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：吞吐量隨著聯合檢測容量的增加而增加。這是因為，聯合檢測容量的增加意味著允許更多的認知用戶節點可同時在數據域進行傳輸。同時還可看出：隨著控制域所采取的信道接入協議的不同，吞吐量也有很大區別。當控制域采用CSMA/CA協議時，系統吞吐量性能為最優。
本文提出了一種改進的RAC資源管理算法。仿真結果表明：當給定節點的發射功率時，隨著數據域和控制域長度比值的減小以及RAC上傳輸周期的增加，節點成功接入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將由多種不同性質的異構網絡融合而成。文中的算法對于解決異構網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。
參考文獻
[1] HAYKIN S. Cognitive radio: brain-empowered wireless communications [J]. IEEE J. Select. Areas Commun., 2005, 23(2): 201-220.
[2] MITOLA J. Cognitive radio: An integrated agent architecture of software defined radio [D]. PhD Dissertation,Royal Inst. Technol. (KTH), Stockholm, Sweden, 2000.
[3] NIYATO D, HOSSAIN E. Competitive spectrum sharing in cognitive radio networks: A Dynamic Game Approach [J]. IEEE Trans. on Wireless Commun., 2008,7(7):2651-2660.
[4] JIANG R X, CHEN B. Fusion of censored decisions in wireless sensor networks[J]. IEEE Trans. on Wireless Commun., 2005, 4(6): 2668-2673.
[5] CHUNHUA S, WEI Z, LETAIEF K B. Cooperative spectrum sensing for cognitive radios under bandwidth constrains. IEEE WCNC’07 [C]. Kowloon, 2007:1-5.
[6] PARTHAPRATIM D, LIANG Y C. Blind spectrum sensing algorithms for cognitive radio networks. IEEE Trans. on Vehicular Technol[J], 2008, 57(5): 2834-2842.
[7] HOLLAND O, ATTAR A, OLAZIREGI N et al. A universal resource awareness channel for cognitive radio[C]. IEEE PIMRC’06, Helsinki, 2006:1-5.
[8] NAGARAJ S, SCHLEGEL C. A channel accessing scheme with joint detection receivers in Ad Hoc networks [C]. IEEE WCNC’04, 2004: 381-386.