CN102036389A - 基于多信道分集的认知mac协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

基于多信道分集的认知MAC协议的实现方法，本方法基于多信道分集而设计，源节点和目的节点在公共控制信道上通过交换控制分组竞争数据信道使用权，竞争成功的节点对通过功率/信道联合分配确定本次传输使用的数据信道和对应的功率分配，并切换至相应数据信道连续传输多个数据分组。在本发明中，还给出了功率/信道联合分配的求解方法，即将其转化为多选择背包问题通过动态规划进行求解。仿真结果表明，相对于机会多电台MAC(OMMAC)协议，在总传输功率受限的情况下，本发明能够有效提高节点对间的数据传输速率以及网络吞吐量。

Description

基于多信道分集的认知MAC协议的实现方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域的认知Ad Hoc网络的MAC(Medium Access Control)层协议设计方法，尤其涉及一种基于多信道分集的认知MAC协议的实现方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，频谱成为日益稀缺的资源，传统的固定频谱分配方式导致资源浪费进而频谱利用率低，已成为制约无线通信网络进一步发展的关键因素。认知无线电技术具有检测初级用户对其授权频段的占用情况并实施动态频谱接入的能力，能够有效地解决上述问题。在无线Ad Hoc网络中引入认知无线电技术是近年来新兴的研究领域，设计能够实现高效动态频谱接入的MAC协议是认知Ad Hoc网络面对的主要挑战及热点之一。

在认知Ad Hoc网络中，无线信道由多节点共享，协调节点访问信道的介质访问控制(MAC)机制是认知Ad Hoc网络的关键技术之一，它不仅关系到能否充分利用无线信道资源、实现节点对无线信道的公平竞争，同时影响网络层和传输层协议的性能，也是认知Ad Hoc网络支持服务质量(QoS)的关键。然而，认知AdHoc网络自身的特点(如分布式、存在隐藏终端/暴露终端问题、网络拓扑频繁变化等)使得研究高效、公平、支持QoS的MAC机制面临很大的挑战性，已成为认知Ad Hoc网络的一个研究难点。

在Ad Hoc网络中使用分集技术是提高网络吞吐量的有效方法。MOAR(Multi-channel Opportunistic Auto-rate MAC Protocol)协议[3]使用信道分集技术，即节点对选择信道条件最好的一条信道作为数据传输信道，并且源节点在该信道上按照OAR(Opportunistic Auto-rate MAC Protocol)协议的规定向目的节点连续发送多个数据分组；虽然该协议能够有效提高网络吞吐量，但是没有充分利用网络的可用信道资源，仍然使用一条信道信道进行通信。OMAR(Opportunistic Medium Access and Auto Rate Protocol)协议使用链路分集技术，即源节点在其邻居范围内选择一个信道条件最好的节点作为目的节点，并向该节点发送数据分组；与MOAR协议相同，OMAR协议同样只允许一对节点仅使用一条信道进行分组传输，因此，仍然没有充分利用网络中的信道资源。在信道分集和链路分集的基础上，OMMAC(Opportunistic Multiradio MAC Protocol)协议使用多电台分集技术，允许源节点使用不同的电台在不同信道上同时与不同的目的节点进行分组传输，由于该协议充分利用了网络中的信道资源，因此可以获得最好的网络吞吐量；但是由于OMMAC协议要求为每个节点配备多部电台并且无总功率限制，导致该协议需要消耗过多的资源(如功率)和成本(更多的电台)。

对于认知Ad Hoc网络，其MAC协议可以分为三类：随机接入类，时隙化类和混合类。SRAC-MAC(Single Radio Adaptive Channel-MAC)和HC-MAC(Hardware-Constrained Cog-nitive MAC)协议属于随机接入类协议，无论控制分组还是数据的传输都是通过随机接入信道实现的。作为时隙化协议代表的C-MAC(Cognitive MAC)协议是在修改MMAC协议的基础上加入CR功能得到的，通过对信标周期进行严格的时隙划分，为每个邻居节点分配唯一的信令时隙，从而实现网络吞吐量的提高，但是该协议较为复杂，可扩展性较低。在混合类协议中，控制分组通过同步时隙传输，而随后的数据传输则使用随机信道接入方案，例如Y.R.Kondareddy等人提出的SYN-MAC(Synchronized MAC)协议，将时间划分为重复出现的帧结构，帧中包含的时隙数与最大可用信道数相同且一一对应，在某信道对应时隙内预约成功的节点对在随后的时间内还必须按照IEEE 802.11 DCF方式竞争该信道使用权。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多信道分集的认知MAC协议的实现方法。该方法能够更好地使得节点对之间通过功率/信道联合分配有效地使用多条数据信道完成分组传输，从而有效利用网络中的可用信道资源，提高节点对间的数据传输速率，进而改善网络吞吐量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先，将时间划分为时间长度相同的多个信道时隙，每个信道时隙由“感知周期”和“数据传输周期”组成，在感知周期内，所有节点依次感知所有数据信道，确定在本信道时隙内哪些数据信道未被初级用户占用，在数据传输周期内，节点对在公共控制信道上通过交换控制分组竞争数据信道使用权并完成功率/信道联合分配，随后竞争成功的节点对切换至相应数据信道完成分组传输；

2)其次，每个节点均维护一张列表：数据信道使用列表DCUL，分别记录初级用户和邻居节点在当前信道时隙内的信道和功率使用情况；

3)再次，当节点S有数据分组需要向目的节点D发送时，两节点通过下述四个阶段完成分组传输：

a.RTS分组发送阶段：源节点S首先侦听公共控制信道，并且当退避时间结束以及在随后的分布式协调帧间隔DIFS内公共控制信道仍然空闲，则向目的节点D发送请求发送分组RTS，该RTS分组中携带自身的DCUL；

b.CTS分组发送阶段：若目的节点D成功接收源节点S发送的RTS分组，则首先将自身DCUL和源节点S的DCUL进行对比，若两张DCUL中不存在公共可用的数据信道即不存在未被PU占用的相同数据信道，则节点D向节点S发送NCTS(Negative CTS)分组，表示竞争失败；否则，节点D根据两张DCUL中记录的信道信息进行功率/信道的联合分配，并根据分配结果确定传输速率，进而确定本次传输的数据分组个数，并向源节点发送允许发送分组CTS；

c.RES分组发送阶段：若源节点S成功接收目的节点D发送的CTS分组，则在短帧间隔SIFS后，向目的节点D回送预留分组RES，该分组所记录的信息与节点D发送的CTS分组中记录的信息相同，若源节点S成功接收目的节点D发送的NCTS分组，则取消本次传输，由于NCTS分组表明源节点和目的节点之间不存在公共可用信道，因此，在当前信道时隙内，节点S将不再向节点D传输数据分组；

d.数据传输阶段：当目的节点D成功接收源节点发送S的RES分组后，两节点同时切换至相应信道，在SIFS之后，按照确定的功率完成数据分组传输；

4)最后，侦听到CTS分组或RES分组的邻居节点按下述过程更新自身DCUL中的相关信息；

a.侦听CTS分组：假设源节点S和目的节点D使用K条数据信道进行分组传输，其中心频率为{f₁，…，f_K}，功率分配为{P₁，…，P_K}，若节点I侦听到节点D发送的CTS分组，则节点I首先计算自身与节点D在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在上述K条信道上的信道增益；其次，节点I计算节点D按照功率分配{P₁，…，P_K}发送确认分组ACK给自身带来的干扰，并更新自身受到的总干扰；再次，节点I计算自身在不影响节点D在这K条信道上正确接收数据分组的前提下使用的最大可用发送功率；最后，更新网络分配矢量NAV；

b.侦听RES分组：假设源节点S和目的节点D使用K条数据信道进行分组传输，其中心频率为{f₁，…，f_K}，功率分配为{P₁，…，P_K}，若节点I侦听到节点S发送的RES分组，则节点I首先计算自身与节点D在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在上述K条信道上的信道增益；其次，节点I计算节点D按照功率分配{P₁，…，P_K}发送数据分组给自身带来的干扰，并更新自身受到的总干扰；再次，节点I计算自身在不影响节点D在这K条信道上正确接收ACK分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新网络分配矢量NAV。

所说的目的节点D确定数据分组和ACK分组发送功率以及可传输数据分组个数的计算按以下步骤进行：

假设源节点S和目的节点D之间存在L条公共可用数据信道，其中心频率为{f₁，…，f_L}；公共控制信道的中心频率为f₀；节点可用的数据速率集合为R＝{R₁，R₂，…，R_Q}(R₁＜…＜R_Q)，对应的信干噪比门限集合为SINR＝{SINR₁，SINR₂，…，SINR_Q}(SINR₁＜…＜SINR_Q)；节点间的传输模型为地面反射模型；

节点D在接收到节点S发送的RTS分组后，按照(1)计算自身与节点S在公共控制信道上的信道增益

$h_{\mathrm{SD}}^0=P_r^{\mathrm{RTS}}/P_{\max }---\left(1\right)$

其中，

和P_max分别为RTS分组的接收功率和发送功率；

节点D按照(2)计算自身与节点S在这L条公共可用数据信道信道上的信道增益

$h_{\mathrm{SD}}^l=h_{\mathrm{SD}}^0\×{(f_0/f_l)}^2,l=1,...,L---\left(2\right)$

其中，f₀和f_l分别为公共控制信道和第l条公共可用信道的中心频率；

构建节点可用传输速率矩阵R，如(3)所示；

其中，R^l＝[R^l，1…R^l，Q](l＝1，…，L)表示第l条数据信道上节点可用的数据速率集合，并且R^l，q＝R_q(q＝1，…，Q)；

构建节点传输功率集合

如(4)所示；

其中，标示节点在第l条数据信道上以速率R_q进行分组传输所需的发送功率，可根据(5)进行计算，

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}={\mathrm{SINR}}_q\·{[P}_n+P_{\inf }\left(l\right)]/h_{\mathrm{SD}}^l---\left(5\right)$

其中，P_n为加性高斯白噪声的功率，P_inf(l)为节点D在第l条数据信道上受到的总干扰，SINR_q为数据速率为R_q的信干噪比门限；

构建优化目标：源节点S从发送功率集中选择发送功率，在每个集合中至多选择一个，在总传输功率不超过最大功率P_max、每条信道上的传输功率不超过在该信道上的最大可用功率的前提下，使得总数据传输速率R_SD最大化，如(6)所示；

$\max \mathrm{imise}{R}_{\mathrm{SD}}=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{R}^{l,q}\·x^{l,q}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\·x^{l,q}\≤P_{\max }\\ {\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\≤P_{\max -s}\left(l\right),l=1,...,L;q=1,...,Q\\ \underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{l,q}\≤1,l=1,...,L\\ x^{l,q}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},l=1,...,L;q=1,...,Q\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，R^l，q表示节点在第l条公共可用信道上的第q个传输速率，x^l，q表示节点是否使用R^l，q进行数据传输，P_max是节点可使用的最大功率，P_max-s(l)表示节点在第l条公共可用信道上可使用的最大功率；

使用动态规划进行求解，即将上述问题分为L步进行求解，第m(1≤m≤L)步子问题如(7)所示：

$\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{R}^{l,q}\·x^{l,q}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\·x^{l,q}\≤P_{\max }\\ {\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\≤P_{\max -s}\left(l\right),l=1...m;q=1...Q\\ \underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{l,q}\≤1,l=1...m\\ x^{l,q}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},l=1...m;q=1...Q\end{array}\right.---\left(7\right)$

在求解第m步子问题时，只需考虑第(m-1)步子问题得出的有效解即可，通过求解L个子问题，可得到最优的功率/信道联合分配

在得到传输速率R_SD后，节点D确定本次传输可传输的最大数据分组个数；首先，确定最大传输时间，如(8)所示；

T_max≤L_DATA/R_basic                                    (8)

其中，L_DATA为一个数据分组的长度，R_basic为节点在公共控制信道上的数据速率；

因为不同的信道增益将会导致不同的功率/信道联合分配结果，所以传输时间还必须满足不等式(9)的约束；

T_SD≤min{CT(f₁)，…，CT(f_L)}＝CT_min                (9)

其中，CT(f_l)为中心频率为f_l的数据信道的相干时间；

因此，数据传输时间最终应满足的条件如(10)所示；

T_SD≤min{CT_min，T_max}                        (10)

由于传输时间可用(11)表示，其中N_SD为传输的数据分组个数，L_DATA和L_ACK为数据分组和ACK分组的长度，T_sifs为短帧间隔的时间；

T_SD＝(2N_SD-1)T_sifs+N_SD(L_DATA+L_ACK)/R_SD            (11)

因此，由(11)和(10)可以得到可传输数据分组个数的约束条件，如(12)所示；

本发明使用公共控制信道，节点对通过在公共控制信道上交换控制分组竞争数据信道使用权，竞争成功的节点对使用功率/信道联合分配确定传输过程中所使用的数据信道及其相应的发送功率，随后，节点对切换至相应数据信道，使用相应的功率完成多个数据分组的传输。

附图说明

图1为信道时隙划分说明图；

图2为数据信道使用列表DCUL的结构说明图；

图3为协议传输过程说明图；

图4为节点间吞吐量随节点间距离变化的仿真曲线图；

图5为网络吞吐量随网络业务变化的仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先参见图1来说明信道时隙划分，每个信道时隙都被分为“感知周期”和“数据传输周期”两部分。在感知周期内，节点依次感知所有数据信道，确定当前时隙内主用户未使用的数据信道。在数据传输周期内，节点使用主用户未使用的数据信道完成分组传输。

下面参见图2来说明数据信道使用列表DCUL所包含的内容和功能，每一个表项包含五部分内容。“信道编号”表示该表项纪录信息对应的是哪条数据信道。“PU状态”表示该信道是否被主用户占用，“0”表示未被占用，“1”表示被占用。“邻居节点状态”表示该信道是否正在被邻居节点使用，“0”表示未被使用，“1”表示被使用。“所受干扰”表示在该信道上节点所受到来自其它节点的干扰总和。“最大允许发送功率”表示在该信道上节点可用的发送功率的最大值。

下面参见图3来说明该协议的传输过程，假设源节点为S，目的节点为D。

1.RTS分组发送阶段：源节点S首先侦听公共控制信道，并且当退避时间结束以及在随后的DIFS内公共控制信道仍然空闲，则向目的节点D发送RTS分组，该RTS分组中携带自身的DCUL；

2.CTS分组发送阶段：若目的节点D成功接收源节点S发送的RTS分组，则首先将自身DCUL和源节点S的DCUL进行对比。若两张DCUL中不存在公共可用的数据信道(即不存在未被PU占用的相同数据信道)，则节点D向节点S发送NCTS(Negative CTS)分组，表示竞争失败；否则，节点D根据两张DCUL中记录的信道信息进行功率/信道的联合分配，并根据分配结果确定传输速率，进而确定本次传输的数据分组个数，并向源节点发送CTS分组；

功率/信道联合分配过程如下：

假设源节点S和目的节点D之间存在L条公共可用数据信道，其中心频率为{f₁，…，f_L}；公共控制信道的中心频率为f₀；节点可用的数据速率集合为R＝{R₁，R₂，…，R_Q}(R₁＜…＜R_Q)，对应的信干噪比门限集合为SINR＝{SINR₁，SINR₂，…，SINR_Q}(SINR₁＜…＜SINR_Q)；节点间的传输模型为地面反射模型。

节点D在接收到节点S发送的RTS分组后，按照(1)计算自身与节点S在公共控制信道上的信道增益

$h_{\mathrm{SD}}^0=P_r^{\mathrm{RTS}}/P_{\max }---\left(1\right)$

其中，

和P_max分别为RTS分组的接收功率和发送功率。

节点D按照(2)计算自身与节点S在这L条公共可用数据信道信道上的信道增益

$h_{\mathrm{SD}}^l=h_{\mathrm{SD}}^0\×{(f_0/f_l)}^2,l=1,...,L---\left(2\right)$

构建节点可用传输速率矩阵R，如(3)所示。

其中，R^l＝[R^l，1…R^l，Q](l＝1，…，L)表示第l条数据信道上节点可用的数据速率集合，并且R^l，q＝R_q(q＝1，…，Q)。

构建节点传输功率集合

如(4)所示。

其中，

标示节点在第l条数据信道上以速率R_q进行分组传输所需的发送功率，可根据(5)进行计算，

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}={\mathrm{SINR}}_q\·{[P}_n+P_{\inf }\left(l\right)]/h_{\mathrm{SD}}^l---\left(5\right)$

式中P_n为加性高斯白噪声，P_inf(l)为节点D在第l条数据信道上受到的总干扰。

构建优化目标：源节点S从发送功率集

中选择发送功率，在每个集合中至多选择一个，在总传输功率不超过最大功率P_max、每条信道上的传输功率不超过在该信道上的最大可用功率的前提下，使得总数据传输速率R_SD最大化，如(6)所示。

$\max \mathrm{imise}{R}_{\mathrm{SD}}=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{R}^{l,q}\·x^{l,q}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\·x^{l,q}\≤P_{\max }\\ {\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\≤P_{\max -s}\left(l\right),l=1,...,L;q=1,...,Q\\ \underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{l,q}\≤1,l=1,...,L\\ x^{l,q}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},l=1,...,L;q=1,...,Q\end{array}\right.---\left(6\right)$

使用动态规划进行求解，即将上述问题分为L步进行求解，第m(1≤m≤L)步子问题如(7)所示。

$\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{R}^{l,q}\·x^{l,q}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\·x^{l,q}\≤P_{\max }\\ {\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\≤P_{\max -s}\left(l\right),l=1...m;q=1...Q\\ \underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{l,q}\≤1,l=1...m\\ x^{l,q}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},l=1...m;q=1...Q\end{array}\right.---\left(7\right)$

在求解第m步子问题时，只需考虑第(m-1)步子问题得出的有效解即可。通过求解L个子问题，可得到最优的功率/信道联合分配

在得到传输速率R_SD后，节点D确定本次传输可传输的最大数据分组个数。首先，确定最大传输时间，如(8)所示。

T_max≤L_DATA/R_basic                    (8)

因为不同的信道增益将会导致不同的功率/信道联合分配结果，所以传输时间还必须满足不等式(9)的约束。

T_SD≤min{CT(f₁)，…，CT(f_L)}＝CT_min    (9)

其中，CT(f_l)为中心频率为f_l的数据信道的相干时间。

因此，数据传输时间最终应满足的条件如(10)所示。

T_SD≤min{CT_min，T_max}                  (10)

由于传输时间可用(11)表示，其中N_SD为传输的数据分组个数，L_DATA和L_ACK为数据分组和ACK分组的长度，T_sifs为短帧间间隔的时间。

T_SD＝(2N_SD-1)T_sifs+N_SD(L_DATA+L_ACK)/R_SD    (11)

因此，由(11)和(10)可以得到可传输数据分组个数的约束条件，如(12)所示。

3.RES分组发送阶段：若源节点S成功接收目的节点D发送的CTS分组，则在SIFS后，向目的节点D回送RES分组，该分组所记录的信息与节点D发送的CTS分组中记录的信息相同。若源节点S成功接收目的节点D发送的NCTS分组，则取消本次传输。由于NCTS分组表明源节点和目的节点之间不存在公共可用信道，因此，在当前信道时隙内，节点S将不再向节点D传输数据分组；

4.数据传输阶段：当目的节点D成功接收源节点发送S的RES分组后，两节点同时切换至相应信道，在SIFS之后，按照确定的功率完成数据分组传输。

最后，侦听到CTS分组或RES分组的邻居节点按下述过程更新自身DCUL中的相关信息；

1.侦听CTS分组：假设源节点S和目的节点D使用K条数据信道进行分组传输，其中心频率为{f₁，…，f_K}，功率分配为{P₁，…，P_K}。若节点I侦听到节点D发送的CTS分组，则首先按照(1)计算其与D在公共控制信道上的信道增益

并按(2)计算自身与D在这K条数据信道上的信道增益

随后，节点I按照(13)计算节点D按功率{P₁，…，P_K}在这K条信道上发送ACK分组对自己带来的干扰，并按(14)更新自身受到的总干扰。

$P_{\inf }^D\left(k\right)=P_k\·h_{\mathrm{ID}}^k,k=1,...,K---\left(13\right)$

$P_{\inf }\left(k\right)=P_{\inf }\left(k\right)+P_{\inf }^D\left(k\right),k=1,...,K---\left(14\right)$

随后，节点I按(15)计算自身在不影响节点D在这K条数据信道上正确接收数据分组的前提下可使用的最大可用发送功率。

$P_{\max -s}\left(k\right)=P_{\min }^{\inf }/h_{\mathrm{ID}}^k,k=1,...,K---\left(15\right)$

其中，

是节点D在保证正确接收数据分组的前提下所能接受的最大干扰功率，即若节点I以功率P_max-s(k)进行发送，则可保证自身处于节点D的干扰范围之外。

这里需要指出，所受干扰

和最大可用发送功率P_max-s(k)的有效时间T_CTS如(16)所示。

${\mathrm{NAV}}_{\mathrm{CTS}}=\frac{L_{\mathrm{RES}}}{R_{\mathrm{basic}}}+N_{\mathrm{trans}}\·\frac{L_{\mathrm{DATA}}+L_{\mathrm{ACK}}}{R_{\mathrm{SD}}}+(2N_{\mathrm{trans}}+1)T_{\mathrm{SIFS}}---\left(16\right)$

其中，R_SD为节点S和D通过功率/信道联合分配所能达到的数据速率，T_SIFS为SIFS的长度。

2.侦听RES分组：假设源节点S和目的节点D使用K条数据信道进行分组传输，其中心频率为{f₁，…，f_K}，功率分配为{P₁，…，P_K}。若节点I侦听到节点S发送的RES分组，则可按照(13)-(15)给出的方法计算节点D按照{P₁，…，P_K}发送数据分组给自身带来的干扰、更新自身受到的总干扰、计算自身在不影响节点D在这K条信道上正确接收ACK分组的前提下可使用的最大可用发送功率，并按(17)更新网络分配矢量。

$T_{\mathrm{RES}}=N_{\mathrm{trans}}\·\frac{L_{\mathrm{DATA}}+L_{\mathrm{ACK}}}{R_{\mathrm{SD}}}+2N_{\mathrm{trans}}\·T_{\mathrm{SIFS}}---\left(17\right)$

为了验证提出的基于多信道分集的认知MAC协议的性能，我们在NS-2下仿真了该方案。

1.无竞争场景：在无竞争场景中，我们只设置一对源节点和目的节点，在这种场景中，源节点可持续向目的节点发送数据分组，并且不存在邻居节点发送时带来的干扰，因此，可以充分验证多信道分集的优势。图4给出了无竞争场景下基于多信道分集的认知MAC协议和OMMAC协议的吞吐量随节点间距离的变化关系。

2.有竞争场景：在有竞争场景中，认知节点均匀分布在直径为250m的圆形区域内，每个节点均可与其邻居节点进行分组传输。图5给出了有竞争场景中基于多信道分集的认知MAC协议和OMMAC协议的吞吐量随数据流数量的变化关系。

随着节点间距离的增加，无论MCD-CMAC协议还是OMMAC协议，其吞吐量均不断减小。但是由于节点只能使用三种数据速率，所以OMMAC协议只能获得三种不同的总数据速率。而MCD-CMAC协议则可以通过功率/信道联合分配，获得不同的功率组合，从而实现多种传输速率，使得其性能远远好于OMMAC协议。当节点间距离较远时，由于衰减，MCD-CMAC协议只能使用一条信道传输分组，因此，MCD-CMAC协议的吞吐量性能与OMMAC协议相同。

Claims (2)

1.基于多信道分集的认知MAC协议的实现方法，其特征在于：

1)首先，将时间划分为时间长度相同的多个信道时隙，每个信道时隙由“感知周期”和“数据传输周期”组成，在感知周期内，所有节点依次感知所有数据信道，确定在本信道时隙内哪些数据信道未被初级用户占用，在数据传输周期内，节点对在公共控制信道上通过交换控制分组竞争数据信道使用权并完成功率/信道联合分配，随后竞争成功的节点对切换至相应数据信道完成分组传输；

2)其次，每个节点均维护一张列表：数据信道使用列表DCUL，分别记录初级用户和邻居节点在当前信道时隙内的信道和功率使用情况；

3)再次，当节点S有数据分组需要向目的节点D发送时，两节点通过下述四个阶段完成分组传输：

a.RTS分组发送阶段：源节点S首先侦听公共控制信道，并且当退避时间结束以及在随后的分布式协调帧间隔DIFS内公共控制信道仍然空闲，则向目的节点D发送请求发送分组RTS，该RTS分组中携带自身的DCUL；

b.CTS分组发送阶段：若目的节点D成功接收源节点S发送的RTS分组，则首先将自身DCUL和源节点S的DCUL进行对比，若两张DCUL中不存在公共可用的数据信道即不存在未被PU占用的相同数据信道，则节点D向节点S发送NCTS(Negative CTS)分组，表示竞争失败；否则，节点D根据两张DCUL中记录的信道信息进行功率/信道的联合分配，并根据分配结果确定传输速率，进而确定本次传输的数据分组个数，并向源节点发送允许发送分组CTS；

c.RES分组发送阶段：若源节点S成功接收目的节点D发送的CTS分组，则在短帧间隔SIFS后，向目的节点D回送预留分组RES，该分组所记录的信息与节点D发送的CTS分组中记录的信息相同，若源节点S成功接收目的节点D发送的NCTS分组，则取消本次传输，由于NCTS分组表明源节点和目的节点之间不存在公共可用信道，因此，在当前信道时隙内，节点S将不再向节点D传输数据分组；

d.数据传输阶段：当目的节点D成功接收源节点发送S的RES分组后，两节点同时切换至相应信道，在SIFS之后，按照确定的功率完成数据分组传输；

4)最后，侦听到CTS分组或RES分组的邻居节点按下述过程更新自身DCUL中的相关信息；

a.侦听CTS分组：假设源节点S和目的节点D使用K条数据信道进行分组传输，其中心频率为{f₁，…，f_K}，功率分配为{P₁，…，P_K}，若节点I侦听到节点D发送的CTS分组，则节点I首先计算自身与节点D在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在上述K条信道上的信道增益；其次，节点I计算节点D按照功率分配{P₁，…，P_K}发送确认分组ACK给自身带来的干扰，并更新自身受到的总干扰；再次，节点I计算自身在不影响节点D在这K条信道上正确接收数据分组的前提下使用的最大可用发送功率；最后，更新网络分配矢量NAV；

b.侦听RES分组：假设源节点S和目的节点D使用K条数据信道进行分组传输，其中心频率为{f₁，…，f_K}，功率分配为{P₁，…，P_K}，若节点I侦听到节点S发送的RES分组，则节点I首先计算自身与节点D在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在上述K条信道上的信道增益；其次，节点I计算节点D按照功率分配{P₁，…，P_K}发送数据分组给自身带来的干扰，并更新自身受到的总干扰；再次，节点I计算自身在不影响节点D在这K条信道上正确接收ACK分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新网络分配矢量NAV。

2.根据权利要求1所述的基于多信道分集的认知MAC协议的实现方法，其特征在于：所说的目的节点D确定数据分组和ACK分组发送功率以及可传输数据分组个数的计算按以下步骤进行：

假设源节点S和目的节点D之间存在L条公共可用数据信道，其中心频率为{f₁，…，f_L}；公共控制信道的中心频率为f₀；节点可用的数据速率集合为R＝{R₁，R₂，…，R_Q}(R₁＜…＜R_Q)，对应的信干噪比门限集合为SINR＝{SINR₁，SINR₂，…，SINR_Q}(SINR₁＜…＜SINR_Q)；节点间的传输模型为地面反射模型；

节点D在接收到节点S发送的RTS分组后，按照(1)计算自身与节点S在公共控制信道上的信道增益

$h_{\mathrm{SD}}^0=P_r^{\mathrm{RTS}}/P_{\max }---\left(1\right)$

其中，

和P_max分别为RTS分组的接收功率和发送功率；

节点D按照(2)计算自身与节点S在这L条公共可用数据信道信道上的信道增益

$h_{\mathrm{SD}}^l=h_{\mathrm{SD}}^0\×{(f_0/f_l)}^2,l=1,...,L---\left(2\right)$

其中，f₀和f_l分别为公共控制信道和第l条公共可用信道的中心频率；

构建节点可用传输速率矩阵R，如(3)所示；

其中，R^l＝[R^l，1…R^l，Q](l＝1，…，L)表示第l条数据信道上节点可用的数据速率集合，并且R^l，q＝R_q(q＝1，…，Q)；

构建节点传输功率集合

如(4)所示；

其中，

标示节点在第l条数据信道上以速率R_q进行分组传输所需的发送功率，可根据(5)进行计算，

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}={\mathrm{SINR}}_q\·{[P}_n+P_{\inf }\left(l\right)]/h_{\mathrm{SD}}^l---\left(5\right)$

其中，P_n为加性高斯白噪声的功率，P_inf(l)为节点D在第l条数据信道上受到的总干扰，SINR_q为数据速率为R_q的信干噪比门限；

构建优化目标：源节点S从发送功率集

中选择发送功率，在每个集合中至多选择一个，在总传输功率不超过最大功率P_max、每条信道上的传输功率不超过在该信道上的最大可用功率的前提下，使得总数据传输速率R_SD最大化，如(6)所示；

$\max \mathrm{imise}{R}_{\mathrm{SD}}=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{R}^{l,q}\·x^{l,q}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\·x^{l,q}\≤P_{\max }\\ {\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\≤P_{\max -s}\left(l\right),l=1,...,L;q=1,...,Q\\ \underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{l,q}\≤1,l=1,...,L\\ x^{l,q}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},l=1,...,L;q=1,...,Q\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，R^l，q表示节点在第l条公共可用信道上的第q个传输速率，x^l，q表示节点是否使用R^l，q进行数据传输，P_max是节点可使用的最大功率，P_max-s(l)表示节点在第l条公共可用信道上可使用的最大功率；

使用动态规划进行求解，即将上述问题分为L步进行求解，第m(1≤m≤L)步子问题如(7)所示：

$\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{R}^{l,q}\·x^{l,q}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\·x^{l,q}\≤P_{\max }\\ {\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{SD}}^{l,q}\≤P_{\max -s}\left(l\right),l=1...m;q=1...Q\\ \underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{l,q}\≤1,l=1...m\\ x^{l,q}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},l=1...m;q=1...Q\end{array}\right.---\left(7\right)$

在求解第m步子问题时，只需考虑第(m-1)步子问题得出的有效解即可，通过求解L个子问题，可得到最优的功率/信道联合分配

在得到传输速率R_SD后，节点D确定本次传输可传输的最大数据分组个数；首先，确定最大传输时间，如(8)所示；

T_max≤L_DATA/R_basic                (8)

其中，L_DATA为一个数据分组的长度，R_basic为节点在公共控制信道上的数据速率；

因为不同的信道增益将会导致不同的功率/信道联合分配结果，所以传输时间还必须满足不等式(9)的约束；

T_SD≤min{CT(f₁)，…，CT(f_L)}＝CT_min            (9)

其中，CT(f_l)为中心频率为f_l的数据信道的相干时间；

因此，数据传输时间最终应满足的条件如(10)所示；

T_SD≤min{CT_min，T_max}                    (10)

由于传输时间可用(11)表示，其中N_SD为传输的数据分组个数，L_DATA和L_ACK为数据分组和ACK分组的长度，T_sifs为短帧间隔的时间；

T_SD＝(2N_SD-1)T_sifs+N_SD(L_DATA+L_ACK)/R_SD            (11)

因此，由(11)和(10)可以得到可传输数据分组个数的约束条件，如(12)所示；

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