一種適用于698～806MHz頻段的認(rèn)知MAC協(xié)議

江 帆， 張曉燕, 關(guān) 璐， 盧光躍

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 ，陜西 西安 710121)

一種適用于698～806MHz頻段的認(rèn)知MAC協(xié)議

江 帆， 張曉燕, 關(guān) 璐， 盧光躍

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 ，陜西 西安 710121)

針對(duì)廣播系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)共存場(chǎng)景下的認(rèn)知用戶接入問(wèn)題，提出一種適用于698～806MHz頻段的認(rèn)知MAC協(xié)議。該協(xié)議以分布式的方式對(duì)授權(quán)信道偵聽(tīng)，認(rèn)知用戶之間以協(xié)調(diào)的方式共享信道偵聽(tīng)結(jié)果，并采用基于競(jìng)爭(zhēng)的方式接入空閑授權(quán)信道。利用蒙特卡洛仿真方法對(duì)所提出的協(xié)議進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)MAC協(xié)議相比，該協(xié)議能夠有效提高授權(quán)頻段的頻譜利用率，提升系統(tǒng)性能。

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò);動(dòng)態(tài)頻譜接入;689～806MHz;媒體接入控制

未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要滿足用戶不斷增長(zhǎng)的高速和多樣化的數(shù)據(jù)需求。以IMT-Advanced系統(tǒng)為例，標(biāo)準(zhǔn)化組織建議其系統(tǒng)需求為：下行峰值速率達(dá)1 Gbps，上行峰值速率達(dá)500 Mbps，帶寬為100 MHz[1]。如此大的帶寬需求使得頻譜的有限性與頻譜的海量需求之間的矛盾越來(lái)越突出。

為了解決頻譜資源匱乏，提高頻譜的利用率，認(rèn)知無(wú)線電的概念被提出[2]。在基于認(rèn)知無(wú)線電的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，具有認(rèn)知功能的無(wú)線設(shè)備可以機(jī)會(huì)式地工作在已授權(quán)的頻帶內(nèi)，這些用戶稱(chēng)為認(rèn)知用戶(Secondary User ,SU)；同時(shí)，認(rèn)知用戶接入授權(quán)頻段不能對(duì)授權(quán)頻段內(nèi)的主用戶(Primary user)的通信造成干擾。認(rèn)知用戶通過(guò)在空域、時(shí)域、頻域中對(duì)授權(quán)頻段進(jìn)行感知，并發(fā)現(xiàn)其中可被利用的頻譜資源，將收發(fā)機(jī)的頻率調(diào)整到已授權(quán)的空閑頻段通信。因而，認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶的頻譜接入屬于動(dòng)態(tài)頻譜接入方式。

盡管動(dòng)態(tài)頻譜接入的原理較簡(jiǎn)單，但要設(shè)計(jì)高效的媒體接入?yún)f(xié)議(Medium Access Control , MAC)，則面臨較大的挑戰(zhàn)。MAC協(xié)議是一種實(shí)現(xiàn)頻譜資源管理的重要技術(shù)，其設(shè)計(jì)對(duì)于認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能發(fā)揮起到舉足輕重的作用[3]。在相關(guān)的研究中，Shashi[4]提出了一種無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知MAC協(xié)議，研究了如何在多信道場(chǎng)景下的對(duì)授權(quán)頻譜感知并接入的問(wèn)題。Timmers[5]提出了多跳場(chǎng)景下的基于節(jié)能的分布式多信道MAC協(xié)議，通過(guò)兩種不同的授權(quán)信道檢測(cè)機(jī)制來(lái)有效的減小認(rèn)知用戶的能量消耗，并獲得授權(quán)頻譜的接入機(jī)會(huì)。在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，由于授權(quán)頻譜的信道狀態(tài)不斷發(fā)生變化，因此要求MAC協(xié)議必須能結(jié)合授權(quán)頻譜的使用狀況，及時(shí)感知空閑頻譜機(jī)會(huì)，動(dòng)態(tài)接入空閑頻譜。

本文首先對(duì)于目前所研究的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的媒體接入?yún)f(xié)議進(jìn)行概況總結(jié)，結(jié)合某地區(qū)698～806 MHz的頻段占用度測(cè)試數(shù)據(jù)，提出一種適用于698～806 MHz的認(rèn)知MAC協(xié)議。

1 媒體接入控制協(xié)議概述

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議[6]如圖1所示，根據(jù)協(xié)議的復(fù)雜度、協(xié)議架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸及信令交互方式等因素的不同，認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議可以分為兩大類(lèi)：基于直接接入的MAC協(xié)議(Direct Access Based, DAB)和基于動(dòng)態(tài)頻譜分配的MAC協(xié)議(Dynamic Spectrum Allocation, DSA)。在DAB協(xié)議中，為了保證單一收發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)的最優(yōu)資源配置，無(wú)線頻譜的接入和分配都是基于單節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的；與之相反，為了保證網(wǎng)絡(luò)的整體性能，DSA則采用不同優(yōu)化算法來(lái)分配整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)整體的資源優(yōu)化配置。

圖1 認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議

2 一種新的認(rèn)知MAC協(xié)議架構(gòu)

2.1 某地區(qū)698～806MHz頻段頻譜占用度

圖2分別給出了不同的測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，某地區(qū)698～806 MHz頻段的頻譜占用度情況。在我國(guó)，698～806 MHz頻段是廣播電視系統(tǒng)所分配的頻段，主要應(yīng)用有模擬和數(shù)字電視與廣播[7]。從圖2中可以看出同一測(cè)量地點(diǎn)不同時(shí)間內(nèi)的授權(quán)頻譜占用度變化差異較大，特別是在800 MHz左右頻段，在早上9:00-10:00頻譜的占用度遠(yuǎn)低于10%，而在下午14:00-15:00頻譜的占用度卻高達(dá)20%。

參照?qǐng)D1，由于698～806 MHz頻譜占用度的動(dòng)態(tài)特性，所需的MAC協(xié)議需要實(shí)時(shí)的偵聽(tīng)頻譜的占用情況，并根據(jù)當(dāng)前的頻譜占用度確定每時(shí)隙的接入策略。目前已有的MAC協(xié)議中的DSA雖然是基于動(dòng)態(tài)頻譜分配策略，但是無(wú)法保證MAC協(xié)議的實(shí)時(shí)接入特性，因而無(wú)法直接應(yīng)用于該頻段，需要對(duì)其加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)出合適的MAC協(xié)議從而保證698～806 MHz頻段的認(rèn)知用戶的動(dòng)態(tài)接入。

(a) 9:00～10:00 (b) 14:00～15:00

圖2 某地區(qū)698～806MHz頻段頻譜占用度

2.2 MAC協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合圖2所示某地區(qū)698～806 MHz頻段的頻譜占用度特點(diǎn)，所研究的廣播系統(tǒng)及認(rèn)知系統(tǒng)共存模型如圖3所示?？紤]一個(gè)包含廣播發(fā)射塔及若干主用戶的廣播系統(tǒng)，廣播發(fā)射塔使用已分配的授權(quán)信道對(duì)主用戶發(fā)射廣播電視信號(hào)(主用戶包含：模擬/數(shù)字電視用戶、無(wú)線電收音機(jī)等)。在與廣播系統(tǒng)共存的認(rèn)知系統(tǒng)中，包含一個(gè)認(rèn)知基站及若干個(gè)認(rèn)知用戶，認(rèn)知用戶之間以自組織的方式通信，也可以接入認(rèn)知基站。廣播系統(tǒng)和認(rèn)知系統(tǒng)之間各自獨(dú)立的工作，無(wú)信息交互。每個(gè)認(rèn)知用戶在接入授權(quán)信道前需要偵聽(tīng)授權(quán)信道的占用情況，以不影響廣播系統(tǒng)的正常通信為前提，以機(jī)會(huì)式的方式接入未被使用的授權(quán)信道。一旦認(rèn)知用戶檢測(cè)到廣播系統(tǒng)需要在授權(quán)信道發(fā)射信號(hào)，則認(rèn)知用戶立即騰空信道從而保證廣播系統(tǒng)的正常工作。

圖3 廣播系統(tǒng)及認(rèn)知系統(tǒng)共存模型

參照DSA協(xié)議動(dòng)態(tài)頻譜接入的特點(diǎn)，并考慮到698～806 MHz頻段所需MAC協(xié)議的實(shí)時(shí)性特性，圖4描述了所提出的適用于698～806 MHz頻段的認(rèn)知MAC協(xié)議的原理。假設(shè)該頻段可以劃分為N+1條授權(quán)信道，且不同信道上的數(shù)據(jù)傳輸彼此不干擾。定義其中一條信道作為公共控制信道(Common Control Channel ,CCC)，主要用來(lái)廣播授權(quán)信道的使用狀況。對(duì)于剩下的N條信道，每條信道的長(zhǎng)度固定，并且其工作狀態(tài)可以模擬為占用/空閑狀態(tài)。其中占用狀態(tài)表示在某時(shí)隙該信道已被廣播系統(tǒng)使用，而空閑狀態(tài)則表示某時(shí)隙該信道空閑。假設(shè)若干個(gè)認(rèn)知用戶以不干擾到廣播系統(tǒng)的正常通信為前提，在信道處于空閑狀態(tài)時(shí)以機(jī)會(huì)式的方式接入信道。另外，認(rèn)知用戶與廣播系統(tǒng)之間是時(shí)間同步的。每個(gè)認(rèn)知用戶裝配兩套收發(fā)器，其中一個(gè)工作在公共控制信道上，用于偵聽(tīng)N條授權(quán)信道的使用狀況，另外一個(gè)收發(fā)器用于認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 認(rèn)知MAC協(xié)議原理

在每時(shí)隙開(kāi)始時(shí)刻，通過(guò)工作在CCC上的收發(fā)器，認(rèn)知用戶檢測(cè)N條信道的使用狀況。其中CCC劃分為兩部分：偵聽(tīng)匯報(bào)階段和競(jìng)爭(zhēng)階段。將偵聽(tīng)匯報(bào)階段劃分為N個(gè)子時(shí)隙，與N條授權(quán)信道對(duì)應(yīng)。

在偵聽(tīng)匯報(bào)階段，每個(gè)認(rèn)知用戶分布式的、在N條信道中隨機(jī)選擇一條信道i，i∈[1,N]進(jìn)行偵聽(tīng)。通過(guò)偵聽(tīng)得到的授權(quán)信道占用情況，認(rèn)知用戶記錄授權(quán)信道的信道偵聽(tīng)結(jié)果(Channel sensing result, CSR)。CSR包含了第i條信道的狀態(tài)信息，它有以下兩種取值：(1) 在t時(shí)隙，信道i沒(méi)有被廣播系統(tǒng)占用, CSRi(t) = 0，i∈[1,N]; (2) 在t時(shí)隙，信道i被廣播系統(tǒng)占用, CSRi(t) =1，i∈[1,N]。因此，CSR的取值決定了某一時(shí)隙內(nèi)，某一信道是否空閑。

在偵聽(tīng)匯報(bào)階段的N個(gè)子時(shí)隙內(nèi)，每個(gè)認(rèn)知用戶根據(jù)信道偵聽(tīng)結(jié)果在信道對(duì)應(yīng)的子時(shí)隙內(nèi)發(fā)送beacon短幀。beacon幀中包含CSR信息。認(rèn)知用戶之間通過(guò)彼此交互beacon幀，可以獲得相鄰用戶的信道偵聽(tīng)結(jié)果。如果相鄰用戶偵聽(tīng)的是同一條信道，則在t+1時(shí)隙，它們隨機(jī)選擇偵聽(tīng)其它的信道。如果N條授權(quán)信道已經(jīng)全部被偵聽(tīng)過(guò)，則通過(guò)用戶之間交互beacon幀，每個(gè)認(rèn)知用戶都可以獲得整個(gè)廣播系統(tǒng)的信道使用狀況，從而確定出可接入的空閑信道的分布情況。但是，如果網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知用戶的數(shù)目較少，則有可能每個(gè)認(rèn)知用戶只能獲得部分授權(quán)信道的狀況信息。

根據(jù)交互beacon幀所獲得的信息，在信道競(jìng)爭(zhēng)期階段，認(rèn)知用戶可以采用IEEE 802.11 DCF(Distribute Coordinate Function)機(jī)制[8]或者p堅(jiān)持的載波偵聽(tīng)多址(Carrier Sensing Multiple Access, CSMA)[9]等基于競(jìng)爭(zhēng)的信道接入方式接入空閑的授權(quán)信道。競(jìng)爭(zhēng)成功到授權(quán)信道的認(rèn)知用戶在下一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，競(jìng)爭(zhēng)失敗的認(rèn)知用戶則可以采用采取相應(yīng)的退避算法(如二進(jìn)制指數(shù)退避等)之后再次競(jìng)爭(zhēng)信道。可以看出，所提出的MAC協(xié)議以分布式的方式對(duì)授權(quán)信道的偵聽(tīng)，從而獲得授權(quán)所實(shí)時(shí)占用情況；認(rèn)知用戶之間以協(xié)調(diào)的方式共享信道偵聽(tīng)結(jié)果，采用動(dòng)態(tài)的基于競(jìng)爭(zhēng)的方式接入的空閑授權(quán)信道。與已有的MAC協(xié)議相比，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的接入未被使用的廣電頻段頻譜，提高授權(quán)頻段頻譜利用率，提升認(rèn)知用戶的接入性能。

3 仿真結(jié)果

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真中的蒙特卡羅方法評(píng)估所提出MAC協(xié)議的性能。利用基于IEEE 802.11 DFC機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)算法來(lái)分析所提出MAC協(xié)議的接入性能。根據(jù)DCF機(jī)制，認(rèn)知通過(guò)發(fā)送RTS/CTS等控制信息來(lái)嘗試接入信道。在競(jìng)爭(zhēng)期內(nèi)，當(dāng)且僅當(dāng)只有一個(gè)認(rèn)知發(fā)送控制信息競(jìng)爭(zhēng)信道，則這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)期可以定義為成功。否則，定義這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)期為失敗(如果多余一個(gè)用戶發(fā)送控制信息，則控制信息將會(huì)碰撞)。在仿真評(píng)估中，所采用的參數(shù)如表1所示。

表1 仿真所采用參數(shù)

采用歸一化參數(shù)授權(quán)信道的利用率代表圖2中的授權(quán)信道的頻譜占用度，即授權(quán)信道利用率越高，頻譜占用度越高，反之亦然。

圖5給出了隨著認(rèn)知用戶數(shù)目增加，認(rèn)知用戶的飽和吞吐量。

圖5 認(rèn)知用戶飽和吞吐量

可以看出，隨著認(rèn)知用戶數(shù)目的增加，飽和吞吐量逐漸線性增加。當(dāng)授權(quán)用戶的數(shù)目等于授權(quán)信道的數(shù)目時(shí)，吞吐量達(dá)到最大。此外，當(dāng)認(rèn)知用戶數(shù)目大于授權(quán)信道數(shù)目時(shí)，吞吐量保持恒定。這種現(xiàn)象可以解釋為：根據(jù)所提出的MAC協(xié)議，認(rèn)知用戶需要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)接入空閑的授權(quán)信道。盡管認(rèn)知用戶數(shù)目逐漸增加，由于能夠接入的授權(quán)信道數(shù)目維持不變，因此認(rèn)知用戶的飽和吞吐量維持不變。另外，授權(quán)信道的利用率越高(η越大)，飽和吞吐率越低。這是因?yàn)楫?dāng)授權(quán)用戶越頻繁使用授權(quán)信道時(shí)認(rèn)知用戶能夠利用空閑信道的機(jī)會(huì)就越小，從而導(dǎo)致吞吐率的下降。

圖6描繪了認(rèn)知用戶的接入時(shí)延與授權(quán)信道利用率之間的關(guān)系。其中分別考慮了授權(quán)用戶數(shù)等于8和20的兩種情況?？梢钥闯?，當(dāng)授權(quán)信道利用率較低時(shí)即η取值較小時(shí)，認(rèn)知用戶能夠有效的接入尚未使用的授權(quán)信道。另外，可以看出隨著信道利用率的逐漸增加，授權(quán)用戶開(kāi)始越來(lái)越頻繁的使用信道，認(rèn)知用戶能夠檢測(cè)到空閑信道的概率降低，從而使得能夠使用的空閑信道逐漸減少，因此導(dǎo)致接入時(shí)延的增加。當(dāng)用戶數(shù)目多余信道數(shù)時(shí)(U=20)，可以觀察到接入時(shí)延的隨著信道利用率的變化更為明顯。

圖6 認(rèn)知用戶接入時(shí)延

綜合圖5和圖6中的仿真結(jié)果可以看出，所提出的MAC協(xié)議能夠充分的利用授權(quán)頻段的偵聽(tīng)結(jié)果，高效接入空閑授權(quán)頻譜，從而有效提升授權(quán)頻段的頻譜利用率。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種適用于698～806MHz頻段的認(rèn)知MAC協(xié)議。綜合地考慮了廣播系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)共存場(chǎng)景下的認(rèn)知用戶接入問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，所提出的MAC協(xié)議以分布式的方式對(duì)授權(quán)信道的偵聽(tīng)，認(rèn)知用戶之間能夠以協(xié)調(diào)的方式共享信道偵聽(tīng)結(jié)果，并采用基于競(jìng)爭(zhēng)的方式接入的空閑授權(quán)信道，從而提高授權(quán)頻段的頻譜利用率，提升系統(tǒng)的整體性能。

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[責(zé)任編輯:祝劍]

A cognitive radio based MAC protocol for Band 689～806 MHz

JIANG Fan, ZHANG Xiaoyan, GUAN Lu, LU Guangyue

(School of Communications and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121,China)

A cognitive radio based MAC protocol for 698～806MHz is presented in this paper to address user access issues in the environment where the broadcast system and cognitive radio system coexist. In this proposed scheme, the authorized bands is sensed in a distributed way, and the spectrum sensing information can be shared coordinately among secondary users. The unused authorized bands can be accessed by secondary users effectively in a competitive manner. Monte Carlo simulation method is used for scheme evaluation. Simulation results show that compared with the traditional algorithm, the proposed protocol can efficiently improve spectrum utilization rate in authorized frequency bands and therefore improve system performance.

cognitive radio network, dynamic spectrum sharing, 689～806 MHz, medium access control

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.002

2014-03-27

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2011JK8027)；陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013JK1064)；工信部通信軟科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014R33)

江帆(1982-)，女，博士，副教授，從事下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究。E-mail: jiangfan@xupt.edu.cn 張曉燕(1973-)，女，碩士，副教授，從事寬帶無(wú)線通信研究。E-mail: zxy@xupt.edu.cn

TN929.52

A

2095-6533(2014)05-0005-05