面向5G網絡的混合式雙工隨機MAC頻譜共享算法研究

羅守志　于林韜　朱一峰

摘要：針對5G頻譜資源短缺問題，本文提出了一種混合式雙工的隨機MAC頻譜共享算法。利用基于機會概率（OP）的隨機MAC，提出了混合半雙工 / 全雙工通信模型，其中每對的雙工模式由OP值動態確定。通過仿真證實了算法可行性，并證明了其具有比傳統系統高4倍的系統吞吐量。這對未來頻譜資源的利用顯示出巨大的潛力。

關鍵詞：5G；頻譜共享；混合式雙工；隨機MAC

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0125-02

1 引言

隨著移動通信技術的快速發展，無線通信用戶的快速增長使得頻譜資源的供需矛盾日益突出[1]。頻譜資源的稀缺和頻譜利用不均衡的問題已經嚴重影響到了5G技術的發展[2]。這可以通過頻譜共享來解決，其允許利用率低的頻譜接入使用[3]。為此，共享網絡應該實時準確地跟蹤頻譜使用程度。

2 系統模型

針對準確的頻譜感知還存的諸多限制，本文提出了一種新的共享模型，預測未安裝傳感器的位置處的頻譜使用級別，并將訪問機會級別表示為概率，即機會概率（OP）。每個節點根據OP值隨機決定是否接入頻譜。從而，提出了基于機會概率的介質訪問控制（MAC）策略，可以通過減少在高OP值區域中的并發傳輸來解決傳輸沖突問題，同時保證了能量效率。

3 混合式雙工隨機MAC頻譜共享算法

為了克服主次節點競爭攻擊問題，我們提出了基于傳感器的隨機MAC決策的機會算法，在一定程度的概率滿足足夠的閾值時，即使主要性能保證程度較低，也能進行通信（表1）。

4 仿真結果與分析

4.1 隨機MAC分析

如圖2實線所示，隨著接入閾值的增加，系統吞吐量和次節點的吞吐量略有下降，而主節點增加。其中，主節點傳輸數據的概率為0.4，與次節點相比，顯示主節點的吞吐量下降，而次節點吞吐量包括兩個可以在全雙工模式下工作的成對節點吞吐量。圖1顯示了節點的誤碼率，證明了主節點的BER減小而次節點增加。我們在主節點的BER圖中只考慮了0.4的傳輸概率，并且確認了主節點可以在足夠的接入閾值以上受到保護。

4.2 確定性MAC分析

根據圖2的結果，確定性值為0.5的虛線顯示，節點根據OP是否大于0.5來決定傳輸。次節點在低OP時開始停止傳輸信號，接入閾值為0，這代表主節點傳輸的高可能性。因此，它會降低系統和次節點的吞吐量，同時增加主節點的吞吐量。因此，主節點的吞吐量增加高于隨機MAC決策，而次節點降低，因為確定性MAC不允許收發器傳輸信號。同樣，確定性值為0.7的點線顯示，如果從-3到2的接入閾值中存在主節點的傳輸，則次節點不傳輸信號。當接入閾值為3，確定性MAC停止，無論主節點是否正在發送信號，次節點都更頻繁地發送信號。

總之，與表示沒有任何次節點的主節點的吞吐量的虛/點線相比，主節點在高接入閾值或適當的確定性值處保證是理想值，但是隨機MAC應該考慮有一些性能下降。然而，從系統級角度來看，隨機MAC確保穩定的高性能，即使是單對分析，而確定性MAC則表現出相對低得多的性能。此外，由于接入閾值是傳輸要求，因此基于結果迭代地控制接入閾值并非易事。故，受接入閾值影響較小且通常提供良好結果的隨機MAC優于確定性MAC，而確定性MAC根據接入閾值偶爾產生良好結果。

5 結語

本文提出了一種混合式雙工的隨機MAC頻譜共享算法。以概率的方式表示頻譜使用級別，即機會概率（OP）。在機會概率基礎上，提出了隨機MAC策略，其中每個節點以與OP值成正比的概率接入頻譜，并驗證了其可行性。利用基于機會概率的隨機MAC，還提出了混合半雙工 / 全雙工通信模型，其中每對的雙工模式由OP值動態確定。通過仿真，我們證實了所提出的算法的可行性，并證明了其具有比傳統系統高4倍的系統吞吐量。這對未來頻譜資源的利用顯示出巨大的潛力。

參考文獻

[1]本刊訊.IMT-2020（5G）推進組發布5G技術白皮書[J].中國無線電，2015，（5）.

[2]小火車，好多魚.大話5G[M].電子工業出版社，2016.

[3]周鈺哲.我國頻譜共享的可行性研究與推進建議[J].電信科學，2016，32（5）：146-151.