AMAC

张聪　苏凡军

摘要：现在学术界的主流MAC协议都是两状态信道模型：空闲和忙。有研究者根据其弊端提出把忙的状态划分为被主用户和次用户占用两种状态。该MAC协议可以让次用户之间竞争使用信道，然而单纯的竞争并不是好方法。经过研究，在认知无线电网络内部还有可能会出现空闲信道，这就会造成资源浪费。因此，考虑增加一种机制：基于对自身数据量大小的认知，进行适当切换。同时基于历史通信情况动态地调整切换等待时间，从而进一步提高网络效率。经过实验对比发现，改进后的网络性能明显比前者好。

关键词：认知无线电；数据量；历史通信情况；竞争；切换

DOIDOI：10.11907/rjdk.172528

中图分类号：TP393

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003020505

英文摘要Abstract：Mainstream MAC protocols are now two channel models： free and busy in academia.Because of its drawbacks， some researcher divide the busy status to being used by a main user and a second user. This protocol allows second users to contend for the channel.However， pure competition is not a good way.Study finds that free channel may occur within the CRN sometimes.The waste of resource isnt a good thing.Therefore， on this basis， we add a mechanism： switch based on the cognition of datas size.Furthermore， a second user can change the duration of wait to switch based on the historical traffic.To further improve the efficiency of the network.By experiments，we found that the throughput of the latter is better than the former.

英文关键词Key Words：cognitive radio； data size； historical traffic； contend； switch

0引言

认知无线电较好地提高了频谱效率，被看作是一项革命性的技术创新。目前对认知无线电的研究正在逐步深入，大量专家学者均聚焦于此。各国政府也投入大量的人力、财力进行这方面的研究。例如美国国防部资助的DARPA XG项目，美国联邦通信委员会（FCC）提出了500MHz国家宽带计划。2008年初，我国也在973计划中启动了认知无线电基础研究。

在认知无线电研究中，对MAC层协议的研究又是一个热点问题。认知无线电网络中的信道是动态可用的，因此为认知无线电网络设计一个公平和高效的MAC协议非常具有挑战性。现在国内外学者已經提出了一些认知无线电网络的MAC协议[15]。文献[1]通过引入时隙的概念提出MAC协议，把时间分成多个时隙分别进行控制和数据传输，避免了随机接入引起的冲突碰撞问题。文献[2]是基于802.11DCF设计的认知网络协议，在CSMA/CA的基础上引入了公共控制信道，并且邻近的次用户共用一个控制信道，距离较远的次用户共用另一个控制信道，从而组成了若干个次用户组。然后每个用户组通过边界的桥梁节点与邻近的用户组连接起来。文献[3]引入了“记忆”的概念，通过函数f：ys→[0，1]实现由次用户上一个时隙状态的“记忆”决定当前时隙次用户根据什么概率进行传输。其中ys={idle，busy，success，failure}，上一个时隙状态y是ys的一种，那么当前时隙次用户将根据f（y）的概率进行传输。文献[4]设计的MAC协议给每个次用户节点配备两个收发器：控制收发器和SDR收发器（用于感知和数据传输）。控制收发器工作在专门的控制信道，它的工作通过周期性的时隙完成。时隙被分成两个阶段：报告阶段和协商阶段。在时隙一开始，SDR收发器感知信道，如果感知到某个信道空闲，就通过控制收发器发送一个信标帧，否则不发送任何信标帧。如果每一个信道都至少被一个次用户感知过，所有的次用户就都获得了整个授权频带的使用情况。然后次用户再协商选择信道进行数据传输。文献[5]提出了CRMMAC协议，该协议也是把时间分成周期性的时隙，每个时隙分为4个阶段：信道感知阶段、信道协商阶段、信道预留阶段、数据传输阶段。次用户感知完信道之后，会记录一个空闲信道列表，然后把带有这个空闲信道列表的ATIM帧发送给目的节点，目的节点收到之后，从空闲信道列表中选择一个公共信道，然后把这个公共信道以ATIMACK帧的形式发送出去，源节点收到后再发送一个确认使用的帧，然后信道预留成功，源节点就可通过这个信道进行数据传输。文献[6]提出了一种使用分布式学习增强方案的MAC协议，通过学习主用户的通信特征指导选择最佳信道。但是以上协议设计都是考虑单一的CRN（cognitive radio network，认知无线电网络），没有考虑异构网络（使用不同的传输波形，不同的网络协议）的存在。但现实情况中经常会出现不同的认知无线电网络相互共存的情况。因此，解决异构网络协调问题对认知无线电网络的成功也是非常关键的。

异构网络情况下，一个CRN内的次用户是不能识别另一个CRN的次用户的，因此会把次用户当成主用户。另外现有的MAC协议设计都是两状态信道模型，只能区分两种信道状态：空闲和忙。针对这种情况，文献[7]第一次提出了三状态模型，即把原来的两状态信道模型升级为了三状态模型，把原来的“忙”的状态分成了两个状态：被主用户占用和被次用户占用。而且文献[7]提出了一种算法，可以精确地检测出当前信道具体处于3个状态中的哪一个。然后文献[8]基于这个三状态模型设计了一种新的MAC层协议FMAC。该协议规定，当探测到信道处于忙碌状态时，不是简单地切换到另外一个信道，而是运用频谱感知算法[7]区分当前信道上是一个主用户的信号还是一个次用户的信号。如果是后者，那么次用户可以选择与正在占用信道的次用户争用信道。

经过理论分析，单纯争用信道的设计并不完美，因为在争用信道的同时，可能自身CRN内部正存在着空闲信道，此时去争用信道显然会造成网络资源的浪费。当竞争节点比较多时次用户较难得到信道，如果占用信道的用户是一个大数据量用户，其他次用户也可能会迟迟得不到信道使用权。得不到信道会导致认知节点持续地占用CCA信道，消耗掉认知节点很多能量。本文设计了一个灵活的方案，采用基于自身数据量大小认知进行适当切换的机制。在切换机制的基础上，本文同时加入了一种根据历史通信情况指导切换的机制。通过计算切换时间和原信道数据传输结束时间的时间差，动态调整次用户接入新信道的退避窗口，使得次用户有可能在接入新信道前，就检测到原信道空闲，避免了切换。经过实验仿真，证明以上两种设计均可以较为显著地提高网络吞吐量，从而提高网络运行效率。

1系统模型

如图1所示，2个共存的认知网络系统分别用CRN1、CRN2表示，CRN1和CRN2处于一个共同的授权频谱干扰范围内，两个认知网络域共用一个授权频带。CRN1有N1个次用户，CRN2有N2个次用户。每个次用户都拥有两个收发器，一个用于频谱感知，一个用于数据传输。同一个CRN的各个次用户合作感知信道，从而更高效地获取信道状态。频谱感知需要一定的时间，令DT表示频谱感知时间，也即次用户们需要经过一个DT的时间来判定信道状态，信道状态每DT时间周期性地更新一次。

由于两状态模型在多个认知无线网络共存的情况中表现并不太好，本文依然引用了前述三状态模型[4]。与两状态模型不同的是，三状态模型把信道忙的状态分为被主用户占用和被次用户占用两种情况。三状态信道模型用数学式表示如下：

ri=ni，H0xP+ni，H1xs+ni，H2（1）

其中，xs表示次用户发送的信号；xp表示主用户发送的信号；ri是次用户收到的信号；ni是零均值的加性高斯白噪声。H0表示信道空闲，H1表示信道被主用户占用，H2表示信道被次用户占用。

由式（1）可见信道被分为3种状态：空闲、被主用户占用、被次用户占用。次用户会根据3种不同的信道状态采取不同的策略。

2AMAC协议描述

使用AMAC协议的节点需要维护5个变量和2个数据结构：时间差的堆栈stack1、stack2和自身数据量的变量DZ、与主用户历史活动相关的时间差变量d1、与别的CRN的次用户历史活动有关的时间差变量d2、主用户占用授权信道时次用户往别的信道切换的等待时间D1和别的次用户占用信道时当前次用户切换其它信道的等待时间D2，D1、D2初始值均等于DIFS（Distributed Interframe Space，分布协调功能帧间间隔）。

2.1适时切换机制

AMAC对于不同信道状态采用不同的策略。信道有3种可能的状态：空闲、被主用户占用、被次用户占用。对于授权信道被主用户占用的状态，次用户保持侦听，同时侦听其它信道。这时会出现3种结果：①侦听到其它信道空闲；②没有侦听到有空闲的其它信道，但是一段时间后侦听到授权信道空闲（主用户使用完毕）；③没有侦听到有空闲的其它信道，但是一段时间后侦听到授权信道被另外一个CRN的次用户占用。

第一種情况，次用户直接切换信道；第二种情况，次用户直接占用授权信道；第三种情况（当初始感知的信道结果是其它CRN次用户占用授权信道的情况，AMAC的处理方法和第三种情况类似），AMAC的处理方法和FMAC不同[9]。经过研究发现，在CRN内部还可能会出现空闲信道，如果单一地竞争信道，可能浪费网络资源，应给次用户增加一种适当的切换机制，以利用空闲信道。AMAC协议设计了次用户对自身数据量大小认知的机制，并命名为DSR（data size recognition）机制。AMAC协议规定当前SU（Secondary User）和占用授权信道的SU竞争信道之前，先调用DSR机制，对自身的数据缓冲队列进行认知，如果队列较短，竞争授权信道。如果队列较长，就要启动扫描机制，扫描自身CRN内部的信道。同时AMAC协议还设计了动态适应机制（下面会详细描述），因此同时要监听原授权信道。如果发现有空闲非授权信道，就切换信道。如果没有空闲信道，继续扫描，同时监听原来被占用的授权信道，一旦发现空闲信道，就切换过去。还有一种可能，有些情况下会长时间没有空闲信道，出现次用户被“饿死”的情况。因此，本文加入了一个计时机制，根据802.11的相关特性数据，本文把最长等待时间设置为100ms，如果100ms后仍然没有空闲信道，次用户就和FMAC协议一样与当前正在占用信道的次用户竞争使用授权信道。适时切换机制如图2所示。

2.2基于周围节点历史活动情况的动态适应机制

认知网络的切换时延相较于WiFi等普通的无线网络可能更长，切换代价更大——WiFi的频谱范围较窄，因此切换起来也较快。而认知无线电网络节点的硬件可能要横跨很宽的频谱范围进行调谐工作，花费很长时间，可能会比WiFi多出几个数量级的时间[9]。而且对于无法及时补充能量的认知节点（例如战时布撒在敌占区用于收集情报的传感器节点），能量又是很珍贵的，频繁切换或者跨越大频谱范围切换需要消耗很多能量。并且有研究指出，无线节点消耗能量对温室气体排放的影响也在与日俱增[9]。因此，设计一种合理的协议让次用户尽量减少切换是很有意义的。

在实际应用中，若干主用户和一批次用户同时存在的同一个干扰区域内，特别是干扰区域内某一部分区域的用户性质往往具有相似性，一段时间内的通信数据量也往往是类似的，同一对用户更是如此。因此，在邻近一段时间内他们的通信情况可以适当预测，根据邻近前一段时间的历史通信情况可以适当预测接下来一段时间的通信情况。本文根据抢占信道用户的历史通信情况，动态调整切换到另外信道的时间，从而保证网络性能的最优化。具体地讲，就是通过信道扫描机制，在切换到新的信道之后，还要继续监测原来的信道，如果短时间内原信道被空了出来，说明抢占信道的用户要发送的数据量比较小，根据这种情况，适当增大切换信道的等待时间，使得当前次用户有可能在切换信道之前，就能检测到原来信道被空出来的情况，避免一些不必要的切换。

动态适应机制通过计算原授权信道空出来的时间点和切换时间点的时间差调整切换等待时间。按照802.11的规定，次用户在切换信道之前，要先等待一段时间，这段时间等于DIFS（Distributed Interframe Space，分布协调功能帧间间隔）[10]。动态适应机制将等待时间设为变量，与等待主用户退出信道时间相关的切换信道等待时间设为变量D1，与等待别的CRN的次用户退出使用信道时间相关的切换信道等待时间设为变量D2，D1、D2的初始值均为DIFS。相应地，与主用户相关的时间差设为变量d1，与其它CRN次用户相关的时间差设为变量d2。如果上述时间差连续3次都较小，就适当增大切换等待时间，让切换信道的等待时间在DIFS的基础上增加适当的值，以保证次用户有可能在切换信道之前就接入原授权信道，避免一些不必要的切换。

2.3AMAC协议算法过程

AMAC协议在FMAC协议三状态模型的基础上增加了适时切换机制和动态适应机制，具体算法描述如下：

Step 1感知授权信道（CH0）。

Step 2如果CH0为空，则利用CH0进行通信；如果CH0被主用户占用，转入Step 3；如果CH0被别的CRN的SU占用，转入Step 4。

Step 3侦听CH0，同时侦听其它信道。如果侦听到有其它空闲信道（CHi），则次用户切换过去进行通信（第一次要先等待DIFS的时间），记录开始发送的时间time1，同时侦听CH0。如果自身数据还没有传完，但CH0为空，记录此时间time2。令d1=time2-time1（次用户第二次执行此算法，会自动覆盖原d1的值，d2同理），根据802.11标准的规定，同时基于对网络性能最优化考虑，本文将判断标准定为150us。如果d1<150us，将d1的值压入堆栈stack1，如果d1≥150us，将stack1清空。如果stack1储存了3个数据，令D1=D1+d1max，这里d1max表示连续3次记录的时间差的最大值。如果没有侦听到其它空闲信道，但一段时间后CH0为空，次用户利用CH0进行通信。如果没有侦听到其它信道空闲，但一段时间后侦听到授权信道被其它CRN的SU占用，转入Step 4。

Step 4当前次用户（SU0）调用认知机制，对自身数据量大小进行认知。如果自身数据量（用DZ（data size）表示）较小（暂假定以1MB为准），即DZ<1MB，应竞争使用授权信道。如果DZ>1MB，转入Step 5。

Step 5感知所有信道（授权信道和自身所在CRN内部的非授权信道），如果发现空闲非授权信道，等待D2（初始值为DIFS）的时间后开始发送数据，同时记录下此时间time3。同时监听授权信道，如果自身数据在还没有传完的情况下授权信道为空，记录下此时间time4。令d2=time4-time3，将d2压入栈stack2。如果d2<150us，将d2的值压入栈stack2，如果d2>=150us，将stack2清空。如果stack2存满了3个数据，令D2=D2+d2max，d2max等于stack2中3个数据的最大值。如果感知时间大于100ms后依然没有空闲信道，即可竞争使用原授权信道。

3性能分析

下面给出利用omnet得出的仿真结果。本文实验使用图1所示的拓扑模型。让次用户发送的数据量大小从[0.5s×124kb，2s×124kb]范围中取随机值。每个包的大小本文设置成256Byte。让第一对节点的发送节点的每次开始（请求）发送时间从[0，0.1s]之间取一个随机值，让第二对节点的发送节点的每次请求发送时间从[0.1s，5s]范围中取随机值。把A、B节点对和C、D节点对设置成不间断发送数据包。在CRN1内部设置两个非授权信道，在CRN1和CRN2之间的公共区域设置一个授权信道。本文为授权信道设置一个PU（Primary User，主用户）的到达概率P0。然后分别取几个时间点，根据这些时间点上A、B通信节点对的网络吞吐量在坐标图里描点，然后根据取的这些点画出散点图。场景参数设置如表1所示。

测试吞吐量的实验中，本文让主用户在10s和40s的时候分别出现一次，并且占用1s时间，如图3所示。从图间都处于竞争使用信道的状态，而使用AMAC的用户也有近一半时间在次用户之间竞争使用信道的状态。注意到AMAC在15s和60s的时间内η处于0.6左右，那是因为在这1s内可能有部分时间次用户还没切换到新的信道，在这部分时间次用户的通信量為零。35s时使用FAMC的次用户η值超过了0.8，出现这种情况主要是因为和它竞争使用信道的另一对次用户使用信道完毕或者还未开始使用信道。10s和40s时使用AMAC的用户通信量都降为零，说明此时主用户的授权信道不可用，而且自身CRN内部的非授权信道也正在被占用；使用FMAC的用户在40s时间内通信数据量并不为零，说明它寻找到了新的可使用信道。但是从整体情况来看，出现η值较大的情况（出现切换信道或独用信道的情况）AMAC显然比FMAC多，因为FMAC只有在主用户占用信道时才会寻求切换信道，而AMAC不但在主用户占用信道时会切换信道，在次用户占用信道时也会切换信道。所以，从整体情况看，使用AMAC的情况下次用户的通信情况比使用FMAC的情况下好得多。

图4中的θ是η取平均值之后的结果。随着PU出现概率的增加，A、B节点的通信量逐渐下降。这是因为随着PU出现概率的增大，PU越来越频繁地出现在授权信道上，使得次用户有较低的概率接入授权信道，从而影响了次用户的通信。但是从整体上来看，不管PU处于什么到达概率，使用AMAC的用户始终比使用FMAC的用户表现得更好。

4结语

考虑到多个认知无线电网络共存的背景下各节点的通信问题，并在前人提出的三状态模型基础上增加了MAC层协议。协议把信道状态划分为3种状态，并让次用户根据不同的信道状态分别采用不同的处理方法。同时考虑到实际应用中的网络情况，增加了“竞争信道+适当切换”机制，提高了网络用户通信的灵活性。同时还设计了基于历史通信情况的认知指导信道切换的方法，使得次用户的信道切换不再盲目，而是只在最适合切换的时候才切换，节省了认知网络开销，使得网络中的通信更加有效率。总之，协议主要提高了次用户的通信效率，并兼顾了次用户之间竞争使用信道的公平性。但是本文没有建立相应的数学模型进行理论分析，只是通过仿真实验证实了改进的有效性，需要进一步建立数学模型进行数学分析和理论统计分析，从理论的结果证实改进效果，并进一步优化网络性能。

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责任编辑（责任编辑：何丽）