一種小型認知無線網絡的通信協議的制定和評價*

史邇冬，趙雄鷹，汪一鳴

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215000)

認知無線網絡就是認知無線電的網絡化，其本質在于將認知無線電的關鍵技術——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]。認知無線網絡能夠利用環境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，并以此進行網絡重構，實現對無線環境的動態適應。目前，歐美等發達國家和地區已經開始進行認知無線網絡的網絡級行為的研究和協議的制定。但是國內的研究仍然主要處于頻譜感知、頻譜決策等分支學科研究階段。

1 認知無線網絡的環境感知方法

1.1 基于單節點的頻譜檢測方法

基于單節點的發射機頻譜檢測技術是認知無線電的關鍵技術之一，是構成認知無線網絡環境感知體系的基本元素。只有在單個認知節點能夠較為快速、準確、穩定地檢測出主用戶頻率使用狀態的基礎上，認知無線網絡才能夠做出準確的決策，建立合理的網絡架構體系。

目前，國內外研究較多的發射機檢測的頻譜感知方法主要有：匹配濾波器感知檢測、波形感知檢測、能量感知檢測和小波分析感知檢測等。

本課題采用能量感知檢測授權用戶信號的方法。能量檢測法的實現過程如圖1所示。

圖1 能量檢測過程

能量檢測的判決規則為：

雖然能量感知檢測存在無法區分信號和噪聲、門限值不易確定、SNR較低時性能惡化嚴重、感應時間較長等缺點，但其具有實現方法簡單、計算復雜度低、不需要先驗知識等優點，特別適用于成本控制嚴格、架構簡單、對QoS要求不高的認知無線網絡。

1.2 協同感知方法

在一個完整的認知無線網絡中，僅僅依靠單個認知用戶自身進行頻譜感知是遠遠不夠的，單個認知用戶的本地頻譜檢測往往無法完整準確地描述整個網絡的頻譜環境[2]。因此，需要以多用戶協同感知的方法來獲得更加準確網絡頻譜環境，以便做出正確的決策。

協同感知一般有集中式感知和分布式感知兩種頻譜感知方法[3]。本課題采用的感知方式融合了集中式控制和分布式控制的特點，由控制節點負責感知覆蓋區域內的頻譜環境，為認知節點提供端對端認知信道；由認知節點在通信過程中自行檢測本地頻譜環境，并在必要時及時反饋給控制節點，控制節點根據判決規則重新調整認知信道的分配。本文將這種網絡架構協議稱之為協議1。

2 認知無線網絡的通信協議設計

2.1 協議層次架構

本課題設計的認知無線網絡通信協議的層次和功能如圖2所示。

圖2 通信協議的層次和功能

由圖2可以看出，物理層的全部功能和數據鏈路層的部分功能已經固化到了硬件系統中，只有少數參數可以通過軟件進行修改。而應用層的內容主要由用戶在具體環境中進行具體設置。因此通信協議設計的主要工作集中在網絡層和數據鏈路層。

2.2 控制節點的工作時序

本認知無線網絡控制節點需要完成的功能包括：接收認知無線網絡節點發送的通信請求、通知目的節點、尋找最佳頻率、將最佳通信頻率告知源節點和目的節點、信道惡化時重新尋找最佳通信頻率并告知。

根據以上要求，認知無線網絡控制節點的一個工作循環如圖3所示。

2.3 認知節點的工作時序

認知無線網絡節點需要完成的基本功能有兩個：數據的發送和數據的接收。

(1)數據的發送。作為數據發送方的認知節點為了實現在認知信道的通信，首先要保持和控制節點的通信暢通，這樣才能夠獲得最優化的決策；其次，節點需要有感知功能，作為數據發送方的認知節點需要在發送數據的過程中隨時監測信道質量，一旦發現信道狀況惡化，該認知節點需要立刻終止數據發送并通知控制節點，以便迅速獲得新的最佳頻率許可恢復通信。其實現過程循環如圖4所示。

圖3 控制節點的一個工作循環

圖4 認知無線網絡節點發送數據的工作循環

(2)數據的接收。根據上文的數據發送過程，接收方認知節點應當這樣設置：

①在預設控制信道等待。一旦有通信請求，根據上文可知該通信請求無論來自哪個節點都一定是由基站向目的節點通知的。

②一旦收到控制節點的通信許可，接收節點立刻切換到基站下發的通信頻率中，等待同發送節點的通信。

③由于接收節點不負責頻譜感知，因此從接收節點的角度出發，一旦通信受阻，無論是何種原因導致，均可認定是信道惡化。此時，接收節點將切換到預設控制信道等待新的通信許可，如果未收到新的許可，則認定通信失敗。

④一旦通信結束，接收節點將重新切換到預設控制頻道。

認知網絡接收節點的一個工作循環如圖5所示。

圖5 認知無線網絡節點接收數據的工作循環

3 其他典型通信協議架構形式

圖6左側這種網絡被稱作“完全非合作認知無線網絡”，也可以叫做“分布式認知無線網絡”，其架構思路很簡單，那就是頻譜的感知、決策和數據通信完全由節點自身完成。這種架構最大的特點是，作為通信的接收節點，由于通信之前沒有任何先驗信息，因此，接收節點需要在所有預設信道中輪流等待接收，直到收到握手包為止。本文將這種網絡架構稱之為協議2。

圖6右側這種網絡的特點是，對頻譜的感知和決策由基站完成，認知節點不需要負責。認知節點只需要在通信時與基站聯系，并通過由基站分配的認知信道將數據傳輸給基站，基站負責將數據投遞給目的節點。一旦在數據傳輸過程中出現信道惡化，由基站進行感知和信道切換，并及時將信道變化通知通信雙方的認知節點。本文將這種網絡架構稱之為協議3。

圖6 獨立感知的認知無線網絡

4 基于算法時間復雜度的系統性能評價

4.1 算法復雜度概念簡介

同一個問題可以有多個解決方案，比如說對于本文的認知無線網絡，上文列出的三種協議架構都能夠完成兩個認知節點的通信。但是哪一種方法能夠使用更少的資源去完成相同的任務呢？這就是復雜度的評判標準[4]。一般而言，完成一項任務所需要用到的資源越少，則說明方法的復雜度越低；反之則越高。

這里用運算元來衡量復雜度。一般而言，運算元指處理器每執行一次不能再次分解的運算代碼的過程。在本文中，運算元指的是處理器每完成一次預定義好的模塊化程序的過程，且雖然網絡架構方式不同，但是在完成一項功能時所做的基本動作是相同的。因此，這樣定義運算元將有助于簡化對時間復雜度的估計。經估算，不同運算元的執行時間如表1所示，其單位為機器周期。

表1 主要運算元的機器周期

在認知無線網絡中，通信協議的程序復雜度是由預設認知信道數目N和通信數據幀數P決定的。因此，故時間復雜度 T=T(N，P)。

4.2 通信鏈路建立的復雜度分析

根據分析可知，信道建立過程的一般順序為：首先進行頻譜決策確立最佳通信信道，然后發送節點同接收節點之間建立鏈路。建立鏈路的過程被稱為“握手”。令通信鏈路建立算法的時間復雜度為Ta，則本文的三種協議的網絡架構的復雜度為 Ta1、Ta2、Ta3

架構一的通信鏈路建立程序算法中，在最壞情況下，發送節點共需要執行1次模塊初始化運算元，1次數據接收運算元，1次數據發送運算元。同樣地，在最壞情況下，接收節點需要執行1次模塊初始化運算元，1次數據接收運算元，1次數據發送運算元；控制節點需要執行1次初始化運算元，N次載波檢測運算元，兩次數據接收運算元，兩次數據發送運算元。

當然，在3個時間復雜度中，有些程序流程是同時進行的，所以，如果要計算整個系統的時間復雜度，則需要減去其中重復計算的部分。就整個系統而言，在最壞的情況下，完成一次通信鏈路的建立共需要花費1個模塊初始化復雜度的時間，兩個數據收發的復雜度時間和N個載波檢測復雜度的時間。

將機器周期代入，可以得到

根據以上思路，經統計，三種協議所占用的時間復雜度如表2所示。

表2 三種通信協議建立通信鏈路的時間復雜度

故有：

4.3 通信中斷恢復程序算法的復雜度分析

所謂通信中斷恢復，指的是在認知用戶通過認知信道通信的過程中，一旦遭遇授權用戶開機或者是信道惡化的情況，認知無線網絡能夠盡快地識別并切換工作信道，將認知用戶的通信恢復的過程。這個過程是維持認知無線網絡正常工作運轉必需的環節。其占用的資源和耗費的時間也是評價認知無線網絡性能的重要標準和依據。

經統計，三種協議所占用的時間復雜度如表3所示。

表3 三種通信協議通信中斷恢復的時間復雜度

令三種架構協議的在通信中斷恢復程序算法上的復雜度為 Tb1、Tb2、Tb3，則：

Tb1=142 500+600N(N≥1)(機器周期)

Tb2=47 500+48 100N(N≥1)(機器周期)

Tb3=190 000+600N(N≥1)(機器周期)

4.4 數據通信過程復雜度分析

數據通信過程復雜度是指認知無線網絡節點完成一次數據通信所需要消耗的系統時間資源和空間資源。對于認知無線網絡而言，在通信過程中未出現認知信道被占用的情況下，其頻譜感知速度和數據通信速度都將達到最快，因為不需要為授權用戶而退出頻段重新建立鏈路。但是，由于授權用戶具有不需預告而直接使用頻段的優先權，因此，實際上認知用戶在每次發送數據幀之前系統都會執行一次本地的信道檢測。故發送1幀數據需要執行1次頻譜檢測運算元，1次數據發送運算元和1次數據接收運算元。所以，完成一次數據通信需要執行P次頻譜檢測運算元、P次數據發送運算元。同時，數據通信的過程不需要控制節點的干預。

令三種架構協議的數據通信過程復雜度為Tc1、Tc2、Tc3，則：

對于協議2而言，在沒有授權用戶干預的前提下，完成一次數據通信程序所占用的時間復雜度和架構一是相同的，即：

而協議3所有的通信均依賴于基站，因此完成一次數據通信需要執行P次頻譜檢測運算元，2P次數據發送運算元和2P次數據接收運算元。即：

5 基于程序算法復雜度的性能評價

圖7為隨著認知信道數目的增加，三種協議完成信道鏈路建立的時間復雜度變化曲線。

圖7 協議通信鏈路建立和中斷恢復算法的復雜度

從圖7可以看出，雖然三種協議均為一階復雜度，但是由于載波檢測過程所占用的時間資源非常之少，因此，決定程序算法時間復雜度的根本在于尋找接收節點并握手的過程。從圖7可以看出，當預設認知信道為1個，即固定信道時，無控制節點的架構方案的時間復雜度更低。但是隨著預設認知信道的增加，有控制節點的架構方案其時間復雜度的增加幅度很小，而沒有控制節點的架構方案其復雜度迅速增長。由此可見，基站對于改善時間復雜度的作用多么重要。

圖8為隨著通信數據量的增加，三種協議的時間復雜度變化曲線。

由于協議1和協議2在數據通信的過程中均采用點對點通信的方式，因此兩者的時間復雜度隨著幀數的變化趨勢是相同的。由于協議3的數據發送需要完全依賴基站，故每發一幀數據要比其他兩種通信方式增加近一倍的復雜度。在數據通信方面，協議1和協議2的方案無疑更加優越。

圖8 協議數據通信過程的復雜度

在鏈路建立程序算法方面，通過增加一個控制節點分擔原本由發送節點完成的頻譜檢測和鏈路建立的工作，可以極大地增加系統的穩定性，縮短鏈路建立時間。這種改進思路與算法設計中常用到的 “以空間換時間”是類似的，即通過增加系統的空間復雜度(增加控制節點)來降低系統的時間復雜度。

而在數據通信方面，點對點通信無疑可以節省更多的復雜度開銷，而如果將數據通信也交由基站轉發，則每一次數據通信需要完成兩次點對點通信，無疑極大地增加了控制節點的負擔，降低了系統的可靠性，增加了系統的復雜度開銷。

根據以上分析可知，本文所采用的方案(協議 1)同其他的典型架構方案相比無疑具有更大的優越性。該方案結合了協議2和協議3各自的優點，通過采用集中式控制、分布式感知、點對點通信的機制，盡可能地做到了揚長避短，使系統的整體穩定性和復雜度得到了兼顧。

[1]王金龍，吳啟暉，龔玉萍，等.認知無線網絡[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]LANEMAN J N， TSE D N C， WORNELL G W.Cooperative diversity in wireless networks：efficient protocols and outage behaviour[J].IEEE Transactions on Information Theory，2004，50(1)：3062-3080.

[3]李希金，紀紅.基于認知的異構無線網絡信道借用策略[J].北京郵電大學學報，2009，32(5)：20-23.

[4]鄭麗英，孟昱煜，王海涌.計算機算法設計與分析[M].北京：中國鐵道出版社，2009.