隨著無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng)，頻譜資源變得日益匱乏。但與此同時(shí)，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的調(diào)查研究表明，在大多數(shù)時(shí)間里，許多授權(quán)頻譜并沒(méi)有得到充分利用[1]。因此，如何有效地利用無(wú)線頻譜受到廣泛的關(guān)注。認(rèn)知無(wú)線電CR(Cognitive Radio)技術(shù)通過(guò)將授權(quán)頻譜伺機(jī)分配給一組認(rèn)知(未授權(quán))用戶使用，明顯地提高了頻譜利用率[2]。為了提高頻譜偵聽(tīng)的性能，很多學(xué)者提出了各種頻譜偵聽(tīng)方法[3-6]。大多數(shù)頻譜偵聽(tīng)算法通常非常耗時(shí),而且功率損耗很大，Holland等人提出的資源認(rèn)知信道(RAC)方案部分地解決了這個(gè)問(wèn)題[7]。
　本文提出了一種基于RAC的改進(jìn)算法：首先定義RAC為工作于固定頻段上的一個(gè)通用信道，在此信道上傳遞無(wú)線頻譜資源的使用信息。每個(gè)認(rèn)知用戶通過(guò)偵聽(tīng)RAC信道就可以獲知本地?zé)o線頻譜資源的占用情況。接下來(lái),將RAC上傳輸?shù)拿總€(gè)分組分成數(shù)據(jù)域和控制域兩個(gè)部分，對(duì)數(shù)據(jù)域部分采用基于發(fā)射端的擴(kuò)頻碼字對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)頻,同時(shí)還引入了聯(lián)合檢測(cè)的思想[8]；對(duì)控制域部分則分別采用了5種不同的信道接入策略。通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真評(píng)估了RAC上的成功接入概率和系統(tǒng)的吞吐量性能。
1 基于RAC的改進(jìn)算法
　對(duì)于任一認(rèn)知用戶來(lái)說(shuō)，它必須以對(duì)主(授權(quán))用戶干擾最小的方式來(lái)使用頻譜空洞進(jìn)行伺機(jī)通信，因此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源(頻段、時(shí)隙等)的有效獲取將顯得尤為重要。RAC使用了一個(gè)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(wú)線資源的情況并可據(jù)此獲悉剩余的有效資源。通過(guò)這種方式，任一認(rèn)知用戶都可以借助RAC上的傳輸信息來(lái)評(píng)估它對(duì)其他認(rèn)知用戶所造成的干擾。可以看出，采用RAC方式可以使認(rèn)知用戶更為有效、智能地利用無(wú)線頻譜資源。
   為了使操作統(tǒng)一化，RAC需要占用一個(gè)固定的信道，同時(shí)認(rèn)知用戶接入RAC的方式也必須提前確定下來(lái)。另外，為了保持信息的有效性，各認(rèn)知用戶必須周期性地更新RAC上的傳輸內(nèi)容。考慮到參考文獻(xiàn)[7]給出的RAC上信息分組的結(jié)構(gòu)過(guò)于繁瑣且不具有操作可行性，本文對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)。
　在改進(jìn)的RAC算法中，為不失一般性，將RAC的無(wú)線傳輸分組從結(jié)構(gòu)上分為兩部分：控制域和數(shù)據(jù)域。在無(wú)線傳輸環(huán)境下，認(rèn)知用戶的數(shù)目和它們的拓?fù)湮恢秒S時(shí)會(huì)發(fā)生變化，而且任一認(rèn)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(zhí)行過(guò)程中都需要考慮進(jìn)去。這里，為了更全面地評(píng)估系統(tǒng)性能，分組的控制域部分分別采用了5種不同的信道接入?yún)f(xié)議。如果主(授權(quán))用戶有空閑頻譜，需要占用此頻段的認(rèn)知用戶就會(huì)通過(guò)控制域的RTS(請(qǐng)求發(fā)送)/CTS(確認(rèn)發(fā)送)控制分組在它和主用戶之間傳遞。若RTS/CTS握手成功，則認(rèn)知用戶就可占用此空閑頻譜進(jìn)行信息傳輸了。分組域部分的數(shù)據(jù)則是通過(guò)擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻傳輸?shù)模催x用一組PN碼構(gòu)成發(fā)射碼集，集合中的任意兩個(gè)元素（碼）之間是準(zhǔn)正交的，這一點(diǎn)從數(shù)學(xué)上是可以做到的。然后，將不同的碼字分配給不同的認(rèn)知用戶。通過(guò)這種碼指配方式，認(rèn)知用戶就可以在數(shù)據(jù)域上同時(shí)傳送有關(guān)各自無(wú)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(fù)責(zé)主用戶與認(rèn)知用戶之間的RTS/CTS握手，當(dāng)握手成功后，認(rèn)知用戶就可以在數(shù)據(jù)域上傳送有關(guān)無(wú)線資源占用的相關(guān)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(guò)程也隨之不同。下面以CSMA/CA信道接入?yún)f(xié)議為例進(jìn)行說(shuō)明。認(rèn)知用戶首先打開(kāi)接收機(jī)，將其調(diào)諧到RAC占用的信道上。當(dāng)某個(gè)認(rèn)知用戶需要占用未授權(quán)頻段進(jìn)行信息傳輸時(shí)，它先偵聽(tīng)信道，若控制域狀態(tài)為“忙”，認(rèn)知用戶將采用二進(jìn)制指數(shù)后退算法延遲發(fā)送，直至狀態(tài)為“空閑”，則在RAC上發(fā)送RTS，之后等待接收CTS。當(dāng)認(rèn)知用戶成功接收到CTS，這就說(shuō)明握手成功，它就開(kāi)始傳輸信息，同時(shí)將其接收機(jī)調(diào)諧到RAC上以偵聽(tīng)其他認(rèn)知用戶發(fā)送的無(wú)線資源占用情況。
2 性能分析
　本節(jié)將對(duì)認(rèn)知用戶成功接入RAC的概率和系統(tǒng)吞吐量性能進(jìn)行分析。
　考慮一個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為A的圓形區(qū)域，其中均勻分布著N個(gè)認(rèn)知用戶。為描述方便，下面統(tǒng)一將認(rèn)知用戶稱之為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的空間分布密度為：

其中，P_t為發(fā)射功率，G_t、G_r分別為發(fā)射天線和接收天線增益，λ_c=c/f_c為波長(zhǎng)，n為路徑損耗指數(shù)。同時(shí)，為了在RAC上能可靠地偵聽(tīng)到其他節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)布，規(guī)定此節(jié)點(diǎn)的接收功率必須大于門限值Pthreshold。則任一節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋距離為


    上式給出的是一種理想的接入情況，即節(jié)點(diǎn)間不存在碰撞。實(shí)際上，當(dāng)兩個(gè)以上認(rèn)知用戶同時(shí)在RAC的控制域部分發(fā)送RTS/CTS控制分組時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生碰撞。下面考慮節(jié)點(diǎn)的分組到達(dá)率(λ分組/秒)服從泊松分布的情形。
　(1)控制域采用Aloha協(xié)議，則RTS/CTS成功接入RAC的概率為:

   定義聯(lián)合檢測(cè)分組的容量為K。即，由于擴(kuò)頻碼多址干擾的影響，在給定的時(shí)間內(nèi)只允許不超過(guò)K個(gè)分組共存。泊松分布的情形下，在2DD的時(shí)間內(nèi)，不超過(guò)K個(gè)分組共存的概率為:

3 數(shù)值仿真與結(jié)果分析
   為了對(duì)改進(jìn)的RAC算法進(jìn)行性能仿真,給出仿真參數(shù)如表1所示[7]。

　圖1給出了發(fā)射功率對(duì)成功接入RAC概率的影響。從圖中可以看出：當(dāng)數(shù)據(jù)域和控制域的長(zhǎng)度比值f取值較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)成功接入RAC的概率較大。同時(shí)還可看出：隨著發(fā)射功率的增加，節(jié)點(diǎn)成功接入RAC的概率較小，即系統(tǒng)性能迅速惡化。

    圖2顯示了RAC上的傳輸周期對(duì)其接入概率的影響。可以明顯地看出：當(dāng)f取值較小時(shí)，增加RAC傳輸周期時(shí)長(zhǎng)將會(huì)大大改善節(jié)點(diǎn)成功接入RAC的性能。

    圖3和圖4分別表示在不同的分組聯(lián)合檢測(cè)容量下，以分組長(zhǎng)度計(jì)的吞吐量和分組到達(dá)率之間的關(guān)系。對(duì)比兩圖可看出：吞吐量隨著聯(lián)合檢測(cè)容量的增加而增加。這是因?yàn)椋?lián)合檢測(cè)容量的增加意味著允許更多的認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)可同時(shí)在數(shù)據(jù)域進(jìn)行傳輸。同時(shí)還可看出：隨著控制域所采取的信道接入?yún)f(xié)議的不同，吞吐量也有很大區(qū)別。當(dāng)控制域采用CSMA/CA協(xié)議時(shí)，系統(tǒng)吞吐量性能為最優(yōu)。

    本文提出了一種改進(jìn)的RAC資源管理算法。仿真結(jié)果表明：當(dāng)給定節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率時(shí)，隨著數(shù)據(jù)域和控制域長(zhǎng)度比值的減小以及RAC上傳輸周期的增加，節(jié)點(diǎn)成功接入RAC的概率會(huì)隨之提高。同時(shí)吞吐量性能將隨著分組聯(lián)合檢測(cè)容量的增加而得到較好的改善。未來(lái)的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)將由多種不同性質(zhì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合而成。文中的算法對(duì)于解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合時(shí)的無(wú)線資源管理問(wèn)題提供了一種切實(shí)可行的思路。
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