一种基于跳预约多址接入认知无线MAC协议

第２２卷第６期　２００６年１２月　江苏通信技术　Ｖ０１．２２　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０ｏ６　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　文章编号：１００７—９５１３（２００６）０６－０００１・０４　一种基于跳预约多址接人认知无线ＭＡ　Ｃ协议　魏飞．杨震　２１０００３）　（南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京摘要：认知无线电是一种可以感知本地空闲频谱的获得性，并且利用可获得的空闲频谱进行通信的一种新兴技术。　在一个由认知无线电节点组成的多跳网络中。由于空闲频谱随地点与时间的动态变化，使得各节点可获得的　空闲信道的数目和属性不仅存在差异。且是不断变化的。这与现存的多信道接入系统有着根本的不同。在这　些系统中，各节点使用的信道是相同和固定不变的（如Ａｄ　Ｈ０（２与８０２．１１网络），以上使得认知无线电的ＭＡＣ　设计变得很困难。基于跳预约多址接入提出一种动态信道的跳预约多址接入（ＤＣ—ＨＲＭＡ）协议，在不需要公　共信道的情况下．解决了信道有效接入与退让问题。　关键词：认知无线电；跳预约多址接入；媒体接入控制协议　中圈分类号：ＴＮ９２９．５　文献标识码：Ａ　引　言　随着近年来的无线通信的快速增长，可以预测　在不远的将来将会出现无线频谱的极度短缺。考虑　到频带都已被分配给不同的用户使用（例如，电视，　广播，蜂窝电话等），这样的短缺似乎的确会出现…。　然而，当我们仔细观察无线频谱的使用情况，我们发　现很大一部分的频谱都没有被充分使用［２］。在很多　频带内．频谱的有效接入是一个比物理频谱资源的　地可获得的空闲频谱．并能自适应地使用这些空闲　频谱。信道的拥有者被称为主用户。认知无线电用　户被称为从用户［２］。认知无线电技术使得从用户能　够周期性的扫描频谱以确定可获得空白频谱，然后　从用户之间可以在不干扰主用户的情况下使用这　些感知到的空白频谱进行通信。而一旦主用户到　来，就必须退让出信道给主用户使用。由于每个从　用户所处的地理位置的不同。更由于主用户的随机　到来和退出。这使得每个从用户所能得到的可用信　道不仅存在差异。且是动态变化的。所以实现从用　户之间的通信必须依靠有效的信道和时隙分配方　案。　缺乏更重要的问题。其他的研究　也已指出部分频　谱（特别是３ＧＨｚ以下）未被使用，而其他的部分则　过度拥挤。这很大部分是因为无线电管理法则的限　制，使得潜在的频谱使用者不能得到有效接入。基于　每个认知无线电用户（节点）的可用信道的差异　性和动态变化性，使得认知无线电的媒体接入控制　（ＭＡＣ）层着重要解决以下问题［５］：　１）当一个认知无线电节点有数据要传输给它的　邻居节点时，在没有预先确知的公共信道的情况下。　它如何选择一条信道进行数据传输。　此。美国联邦通信委员会（ｒｃｃ）已着手进行频谱使　用规则的改革以提高频谱的整体利用率。这些改革　所依赖的一种新兴的无线通信技术。就是认知无线　电技术。　认知无线电技术…使得无线器件能够感知到本　收稿日期：２０ｏ６．０９．２２　基金项目：教育部重点科技项目基金资助项目（２ｏ６０５５）　作者简介：魏飞（１９８２一），男，安徽桐城人，硕士研究生，主要研究方向是认知无线电技术；杨震（１９６１一），男，江苏苏州人，教　授，博士生导师，目前主要研究方向为无线通信与网络信号处理，语音处理与现代语音通信技术以及信息安全技术。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２　江苏通信技术　２００６正　２）当主用户到来时，认知无线电节点如何快速　有效地实现信道的退避。　基于以上问题。本文在跳预约多址接人协议［　］　别对应信道Ｃ。，　，…，　。所有的节点在每个时隙开　始的时候。跳到对应的信道上。每个时隙划分为信道　状态交换（ＣＳＥ）期，跳预约（ＨＲ）期，请求发送（ＲＴＳ）　期，清除发送（ＣＴＳ）期，分别用来发送和接受相应的　数据包。　的基础上提出了一种动态信道的跳预约多址接人　（ＤＣ—ＨＲＭＡ）协议，通过周期性的信道发现，在不需　要公共控制信道的情况下，实现了对感知范围内的　信道的有效接人和退让。　２．１信道状态交换（ＣＳＥ）　假设各节点通过ＧＰＳ实现了时钟同步，在每个　１系统模型与假设　考虑一种静态的多跳的无线网络，由一组Ⅳ个　认知无线电节点组成。为了方便后面的分析，我们假　定这些节点是均匀分布的。　１．１节点特性　每个节点　都有唯一的标识号ＮＩＤ　（或称为节　点地址），简单起见，用１，２，…，Ⅳ表示，ＮＩＤ　。这里　Ⅳ是系统包含的最大的节点数目，我们假定每个节　点都知道这个Ｊｌ￣ｒ的数值。每个节点只有一个无线收　发器．这能有效的降低硬件设计的难度和功率消耗。　每个节点都内置有一个ＧＰＳ装置以实现节点间的　同步．这使得节点间不需要再进行节点间的同步信　息交换以实现各节点的同步。　１．２节点的频谱感知及信道特性　假定每个节点感知的频谱的范围是整个频谱中　的相同的一段，如３—４　ＧＨｚ。事实上，对单个节点来　说感知整个频谱是不适合的，因为这需要大量的时　间，使得在主用户到来时无法及时的退让出信道。我　们将节点感知的频谱范围划分为　个等带宽的信　道，用Ｃ。，　，…，　来表示，　是固定的且每个节点　都知道　的大小。　２　ＤＣ—ＨＲＭ．Ａ协议　ＤＣ—ＨＲＭＡ是基于公共跳频序列的同步接人协　议。网络中所有的认知无线电节点按照预先设置的　公共跳频序列进行跳转。　图１所示的是一个含有　个信道的ＤＣ—　ＨＲＭＡ帧与时隙结构，每个ＤＣ—ＨＲＭＡ帧被划分为　个ＤＣ—ＨＲＭＡ时隙ｓｌｏｔ１，ｓｌｏｔ２，…，ｓｌｏｔ￣，每个时隙　分别对应一个信道。在这里，ｓｌｏｔｌ，ｓｌｏｔ２，…，ｓｌｏｔ￣分　ＤＣ—ＨＲＭＡ时隙开始的时候。所有空闲节点在这个　ＤＣ—ＨＲＭＡ时隙对应的信道上进行信道状态交换。　如图１中的ｓｌｏｔ　，各空闲节点查看自己的Ｇ信道，　若信道Ｇ空闲（即没有感知到主用户在使用），则跳　到Ｃ　上，否则进入休眠状态，直至下一个ＤＣ—　ＨＲＭＡ时隙将其唤醒。每个ＣＳＥ又被划分为更小的　Ｊ，￣『个ＣＳＥ时隙ｓ。，ｓ　，…，ｓ　，分别对应每一个节点　ＮＩＤ。，ＮＩＤ　，…，ＮＩＩ）Ⅳ，每个节点都知道自己所处的　ＣＳＥ时隙的位置。在每个ＣＳＥ时隙开始的时候，对　应的节点发送信道状态信息，其余的节点保持倾听。　如图１中的时隙，在时隙到来的时候，节点ＮＩＤ　则　在时隙上发送信道状态数据包表明信道Ｇ可用，收　到数据包的节点就知道节点ＮＩＤ　是它在空闲信道　上的一跳邻居。若节点ＮＩＤ。在ＣＳＥ时隙ｓ　上没　有发送自己的信道状态数据包，则表明节点ＮＩＤ　在　当前信道Ｇ上有主用户出现或者是正在发送（接　收）数据。这样经过Ⅳ个ＣＳＥ时隙后，则每个节点都　知道各自的一跳邻居的信道　是否空闲。在其他时　隙上的ＣＳＥ过程与以上所述的过程相同。这样，所　有这　个信道状态的更新时间都是一个ＤＣ—　ＨＲＭＡ帧长。也就是说，从主用户到来到认知无线　电节点退出主用户所在的信道。最长只需要一个　ＤＣ—ＨＲＭＡ帧长的时间。　图１　ＤＣ—ＨＲＭＡ的帧与时隙结构　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　魏飞．杨震：一种基于跳预约多址接人认知无线ＭＡＣ协议　３　２．２信道接入与信道预约机制　在一个ＤＣ—ＨＲＭＡ时隙开始后。首先进行的是　ＣＳＥ过程。所有的空闲节点按照前面所提到的ＣＳＥ　再次进行信道竞争接人，源节点和目的节点在下　一帧内保持对信道Ｃ　的预约，随后的ＣＴＳ期目的　节点也不需要发送ＣＴＳ，这样在随后的时隙中，更　规则进行信道状态交换。如果一个源节点．ｓ有数据　要发送给节点Ｄ，它先查看目的节点Ｄ在对应于这　多的数据包在信道Ｃ　被传输，直到目的节点收到　最后一个数据包。在进行信道预约传输多个数据　包的过程中，可能会出现以下两种情况之一或者　全部：　个ＤＣ—ＨＲＭＡ时隙的信道是否空闲（通过前面的　ＣＳＥ过程），若不空闲，则保持倾听随后的时隙，直　至目的节点Ｄ存在空闲信道的时隙：若空闲。则继　续倾听随后的ＨＲ期，如果在ＨＲ期内有ＨＲ数据。　这表明有节点对信道进行了预约．源节点．ｓ保持倾　听直至到某一时隙目的节点对应的信道空闲且ＨＲ　期元ＨＲ数据。如果源节点．ｓ在ＨＲ期内没有倾听　到ＨＲ数据，则发送自己的ＲＴＳ给目的节点Ｄ。然　后在Ｃ，Ｉ１ｓ期内等待接收节点Ｄ回复的Ｃ，Ｉ１ｓ。节点Ｄ　一旦接收到节点．ｓ给它的ＲＴＳ。则立即在随后的　ＣＴＳ期内回复一个ＣＴＳ给节点．ｓ．然后停留在当前　信道上不再跳变，等待接收源节点Ｓ发送的数据　包。当源节点．ｓ收到目的节点Ｄ所发的ＣＴＳ后，节　点５和Ｄ就完成了对所在时隙对应的信道的接人。　若源节点．ｓ没有收到目的节点Ｄ回复的ＣＴＳ。则需　要随机退避若干个ＤＣ—ＨＲＭＡ时隙．然后重复进行　以上的接人过程。一个ＤＣ—ＨＲＭＡ帧可以传输的最　大数据包长度　＝（　—１）　一一　触。当要发送的　数据长度小于　时，如图２ａ所示，节点．ｓ在随后　的　—１个ＤＣ—ＨＲＭＡ时隙内发送数据并接受节点　Ｄ的Ａｃｋ。　当数据长度大于　，需要用多个ＤＣ—ＨＲＭＡ　帧进行传输时，源节点．ｓ会把数据装载在多个数　据包中。并在数据包头中通知目的节点Ｄ是否存　在下一个数据包，然后源节点和目的节点会在下　一帧的同一个时隙的ＣＳＥ期保持沉默。目的节点　在ＨＲ期发送ＨＲ数据包。这用来通知目的节点　的所有邻居此时隙对应的信道已被预约。如图２ｂ　所示，当源节点收到目的节点的ＨＲ后。源节点在　随后的ＲＴＳ期发送ＲＴＳ。这是为了破坏可能存在　的在目的节点通信范围外（听不到目的节点ＨＲ）　的源节点的邻居进行信道预约。通过这个机制，　可以有效防止隐终端问题的出现。这样，不需要　・源节点感知到所使用的信道上出现主用　户：　・源节点在发送一个数据包（不是最后一个）后　的ＨＲ期没有收到目的节点的ＨＲ．这意味着目的　节点在当前信道出现主用户。　在这种情况下。源节点和目的节点需要退出当　前所使用信道，进行其他空闲信道的接人。图２ｃ所　示的是在信道Ｃ　有主用户出现的情况下，节点重新　接人新信道　的过程。　ｓｌｏｔ，ｌ　ｓｌｏｔ２　ｌ　ｓｌｏｔ３　Ｉ…ｌ　ｓｌｏｔｕｌ　ｓｌｏｔ，ｌ　ｓｌｏｔ２　Ｉ　ｓｌｏＩ３　时间　图２　ＤＣ—ＨＲＭＡ基本工作过程　３分析　假设有．，个主用户，每个主用户分别工作在这　个信道中的一个，考虑最差的情形，在主用户使　用某一信道的时候，任何使用该信道的认知无线电　节点都会对主用户造成干扰。即当任一主用户到来　时，网络中所有的认知无线电节点都得退出这个主　用户使用的信道。　假设节点是均匀分布的。每个节点有　个邻　居。这使得我们可以通过任一节点来分析系统的吞　维普资讯 http://www.cqvip.com

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江苏通信技术　２伽ｌ６年　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｓｔａｃｋ　ＬＩ　Ｗｅｉ　（Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎ￣ｅ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｔｅｍｅｔ　ａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｎｅｃｗ０ｒ４【ｓ．Ｃｈｏｎｇｑｌｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０ｏ０６５，Ｃｈｉ．ｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｓｕｃｈ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｎｏ　ｗｅｌｌ—ｄｅｆｉｎｅｄ　ｐｌａｃｅ　ｉｎ　ｃｌａｓｓｉｃａｌ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｔａｃｋｓ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｓｏｍｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｅｖｅｒｙ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ＴＣＰ／ＩＰ　ｓｔａｃｋ，ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｌａｙｅｒｅｄ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｔａｃｋ　ｉｓ　ｉｎｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｔｏ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｍｏｂｉｌｅ　ｉｎｔｅｒｎｅｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｔａｃｋ　ａｎｄ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｍｏｂｉｌｅ　ｉｎｔｅｒｎｅｔ，ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｆｒｏｍ　ｌｉｎｋ　ｌａｙｅｒ，ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｌａｙｅｒ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｓｅｓｓｉｏｎ　ｌａｙｅｒ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｃｒｏｓｓ—　ｌａｙｅｒ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ；ｍｏｂｉｌｉｔｙ；ｓｅｓｓｉｏｎ　ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｃｒｏｓｓ—ｌａｙｅｒ　◆　－・＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋　一－　（上接第４页）　ＨＲＭＡ－Ｂａｓｅｄ　Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　Ｒａｄｉｏ　ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ＷＥＩ　Ｆｅｉ，ＹＡＮＧ　Ｚｈｅｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｈａｔ　ｃａｎ　ｓｅｎｓｅ　ｔｈｅ　ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ　ｓｐａｒｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎｄ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｓｐａｒｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｔｏ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ．Ｉｎ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｈｏｐ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｎｏｄｅｓ，ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｎｏｄｅ　Ｓ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｓｐａｒｅ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｐａｒｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｉｓ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｗｈｅｒｅ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｎｏｄｅｓ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｃｈａｎｎｅｌｓ（ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｉｎ　ａｄ　ｈｏｃ　ａｎｄ　８０２．１　１　ｎｅｔｗｏｒｋｓ）．Ａｌｌ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｄｉｉｆｃｕｌｔ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｎｎｅｌ－ｈｏｐ　ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ（ＤＣ—ＨＲＭＡ）　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｈｏｐ　ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ．　Ｉｔ　ｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｃｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｑｕｉｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａｎｙ　ｃｏｍｍｏｎ　ｃｈａｎｎｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ；ｈｏｐ　ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ；ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｏｒｌ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　◆