摘  要： 提出了一種小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜協(xié)同感知方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種小型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。通過協(xié)議程序復(fù)雜度的角度切入，對(duì)該協(xié)議進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。同其他典型協(xié)議相比較，該協(xié)議通過采用集中式控制、分布式感知、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的機(jī)制，盡可能地做到了揚(yáng)長避短，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和復(fù)雜度得到了兼顧。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)；協(xié)同感知；通信協(xié)議；程序復(fù)雜度

　認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)就是認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化，其本質(zhì)在于將認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)——環(huán)境感知、智能接入等應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體中去研究[1]。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠利用環(huán)境認(rèn)知來獲取環(huán)境信息，通過對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行處理和學(xué)習(xí)做出智能決策，并以此進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)開始進(jìn)行認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)級(jí)行為的研究和協(xié)議的制定。但是國內(nèi)的研究仍然主要處于頻譜感知、頻譜決策等分支學(xué)科研究階段。
1 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境感知方法
1.1 基于單節(jié)點(diǎn)的頻譜檢測方法
　基于單節(jié)點(diǎn)的發(fā)射機(jī)頻譜檢測技術(shù)是認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一，是構(gòu)成認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知體系的基本元素。只有在單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠較為快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地檢測出主用戶頻率使用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)才能夠做出準(zhǔn)確的決策，建立合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。
　目前，國內(nèi)外研究較多的發(fā)射機(jī)檢測的頻譜感知方法主要有：匹配濾波器感知檢測、波形感知檢測、能量感知檢測和小波分析感知檢測等。
　本課題采用能量感知檢測授權(quán)用戶信號(hào)的方法。能量檢測法的實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

　雖然能量感知檢測存在無法區(qū)分信號(hào)和噪聲、門限值不易確定、SNR較低時(shí)性能惡化嚴(yán)重、感應(yīng)時(shí)間較長等缺點(diǎn)，但其具有實(shí)現(xiàn)方法簡單、計(jì)算復(fù)雜度低、不需要先驗(yàn)知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于成本控制嚴(yán)格、架構(gòu)簡單、對(duì)QoS要求不高的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。
1.2 協(xié)同感知方法
　在一個(gè)完整的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，僅僅依靠單個(gè)認(rèn)知用戶自身進(jìn)行頻譜感知是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，單個(gè)認(rèn)知用戶的本地頻譜檢測往往無法完整準(zhǔn)確地描述整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜環(huán)境[2]。因此，需要以多用戶協(xié)同感知的方法來獲得更加準(zhǔn)確網(wǎng)絡(luò)頻譜環(huán)境，以便做出正確的決策。
　協(xié)同感知一般有集中式感知和分布式感知兩種頻譜感知方法[3]。本課題采用的感知方式融合了集中式控制和分布式控制的特點(diǎn)，由控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜環(huán)境，為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)提供端對(duì)端認(rèn)知信道；由認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在通信過程中自行檢測本地頻譜環(huán)境，并在必要時(shí)及時(shí)反饋給控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)判決規(guī)則重新調(diào)整認(rèn)知信道的分配。本文將這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)議稱之為協(xié)議1。
2 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)
2.1 協(xié)議層次架構(gòu)
　本課題設(shè)計(jì)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的層次和功能如圖2所示。

　由圖2可以看出，物理層的全部功能和數(shù)據(jù)鏈路層的部分功能已經(jīng)固化到了硬件系統(tǒng)中，只有少數(shù)參數(shù)可以通過軟件進(jìn)行修改。而應(yīng)用層的內(nèi)容主要由用戶在具體環(huán)境中進(jìn)行具體設(shè)置。因此通信協(xié)議設(shè)計(jì)的主要工作集中在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。
2.2 控制節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序
　本認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)需要完成的功能包括：接收認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的通信請(qǐng)求、通知目的節(jié)點(diǎn)、尋找最佳頻率、將最佳通信頻率告知源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)、信道惡化時(shí)重新尋找最佳通信頻率并告知。
根據(jù)以上要求，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖3所示。

2.3 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序
　認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要完成的基本功能有兩個(gè)：數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。
　(1)數(shù)據(jù)的發(fā)送。作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)為了實(shí)現(xiàn)在認(rèn)知信道的通信，首先要保持和控制節(jié)點(diǎn)的通信暢通，這樣才能夠獲得最優(yōu)化的決策；其次，節(jié)點(diǎn)需要有感知功能，作為數(shù)據(jù)發(fā)送方的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中隨時(shí)監(jiān)測信道質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)信道狀況惡化，該認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要立刻終止數(shù)據(jù)發(fā)送并通知控制節(jié)點(diǎn)，以便迅速獲得新的最佳頻率許可恢復(fù)通信。其實(shí)現(xiàn)過程循環(huán)如圖4所示。

　(2)數(shù)據(jù)的接收。根據(jù)上文的數(shù)據(jù)發(fā)送過程，接收方認(rèn)知節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)這樣設(shè)置：
　①在預(yù)設(shè)控制信道等待。一旦有通信請(qǐng)求，根據(jù)上文可知該通信請(qǐng)求無論來自哪個(gè)節(jié)點(diǎn)都一定是由基站向目的節(jié)點(diǎn)通知的。
　②一旦收到控制節(jié)點(diǎn)的通信許可，接收節(jié)點(diǎn)立刻切換到基站下發(fā)的通信頻率中，等待同發(fā)送節(jié)點(diǎn)的通信。
　③由于接收節(jié)點(diǎn)不負(fù)責(zé)頻譜感知，因此從接收節(jié)點(diǎn)的角度出發(fā)，一旦通信受阻，無論是何種原因?qū)е拢烧J(rèn)定是信道惡化。此時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)將切換到預(yù)設(shè)控制信道等待新的通信許可，如果未收到新的許可，則認(rèn)定通信失敗。
　④一旦通信結(jié)束，接收節(jié)點(diǎn)將重新切換到預(yù)設(shè)控制頻道。
認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作循環(huán)如圖5所示。

3 其他典型通信協(xié)議架構(gòu)形式
　圖6左側(cè)這種網(wǎng)絡(luò)被稱作“完全非合作認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)”，也可以叫做“分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)”，其架構(gòu)思路很簡單，那就是頻譜的感知、決策和數(shù)據(jù)通信完全由節(jié)點(diǎn)自身完成。這種架構(gòu)最大的特點(diǎn)是，作為通信的接收節(jié)點(diǎn)，由于通信之前沒有任何先驗(yàn)信息，因此，接收節(jié)點(diǎn)需要在所有預(yù)設(shè)信道中輪流等待接收，直到收到握手包為止。本文將這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)稱之為協(xié)議2。

　在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，通信協(xié)議的程序復(fù)雜度是由預(yù)設(shè)認(rèn)知信道數(shù)目N和通信數(shù)據(jù)幀數(shù)P決定的。因此，故時(shí)間復(fù)雜度T=T(N，P)。
4.2 通信鏈路建立的復(fù)雜度分析
　根據(jù)分析可知，信道建立過程的一般順序?yàn)椋菏紫冗M(jìn)行頻譜決策確立最佳通信信道，然后發(fā)送節(jié)點(diǎn)同接收節(jié)點(diǎn)之間建立鏈路。建立鏈路的過程被稱為“握手”。令通信鏈路建立算法的時(shí)間復(fù)雜度為Ta，則本文的三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的復(fù)雜度為Ta1、Ta2、Ta3
　架構(gòu)一的通信鏈路建立程序算法中，在最壞情況下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)共需要執(zhí)行1次模塊初始化運(yùn)算元，1次數(shù)據(jù)接收運(yùn)算元，1次數(shù)據(jù)發(fā)送運(yùn)算元。同樣地，在最壞情況下，接收節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行1次模塊初始化運(yùn)算元，1次數(shù)據(jù)接收運(yùn)算元，1次數(shù)據(jù)發(fā)送運(yùn)算元；控制節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行1次初始化運(yùn)算元，N次載波檢測運(yùn)算元，兩次數(shù)據(jù)接收運(yùn)算元，兩次數(shù)據(jù)發(fā)送運(yùn)算元。
　當(dāng)然，在3個(gè)時(shí)間復(fù)雜度中，有些程序流程是同時(shí)進(jìn)行的，所以，如果要計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度，則需要減去其中重復(fù)計(jì)算的部分。就整個(gè)系統(tǒng)而言，在最壞的情況下，完成一次通信鏈路的建立共需要花費(fèi)1個(gè)模塊初始化復(fù)雜度的時(shí)間，兩個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)的復(fù)雜度時(shí)間和N個(gè)載波檢測復(fù)雜度的時(shí)間。

　從圖7可以看出，雖然三種協(xié)議均為一階復(fù)雜度，但是由于載波檢測過程所占用的時(shí)間資源非常之少，因此，決定程序算法時(shí)間復(fù)雜度的根本在于尋找接收節(jié)點(diǎn)并握手的過程。從圖7可以看出，當(dāng)預(yù)設(shè)認(rèn)知信道為1個(gè)，即固定信道時(shí)，無控制節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)方案的時(shí)間復(fù)雜度更低。但是隨著預(yù)設(shè)認(rèn)知信道的增加，有控制節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)方案其時(shí)間復(fù)雜度的增加幅度很小，而沒有控制節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)方案其復(fù)雜度迅速增長。由此可見，基站對(duì)于改善時(shí)間復(fù)雜度的作用多么重要。
　圖8為隨著通信數(shù)據(jù)量的增加，三種協(xié)議的時(shí)間復(fù)雜度變化曲線。

　由于協(xié)議1和協(xié)議2在數(shù)據(jù)通信的過程中均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的方式，因此兩者的時(shí)間復(fù)雜度隨著幀數(shù)的變化趨勢是相同的。由于協(xié)議3的數(shù)據(jù)發(fā)送需要完全依賴基站，故每發(fā)一幀數(shù)據(jù)要比其他兩種通信方式增加近一倍的復(fù)雜度。在數(shù)據(jù)通信方面，協(xié)議1和協(xié)議2的方案無疑更加優(yōu)越。
　在鏈路建立程序算法方面，通過增加一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)分擔(dān)原本由發(fā)送節(jié)點(diǎn)完成的頻譜檢測和鏈路建立的工作，可以極大地增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短鏈路建立時(shí)間。這種改進(jìn)思路與算法設(shè)計(jì)中常用到的“以空間換時(shí)間”是類似的，即通過增加系統(tǒng)的空間復(fù)雜度(增加控制節(jié)點(diǎn))來降低系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度。
而在數(shù)據(jù)通信方面，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信無疑可以節(jié)省更多的復(fù)雜度開銷，而如果將數(shù)據(jù)通信也交由基站轉(zhuǎn)發(fā)，則每一次數(shù)據(jù)通信需要完成兩次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，無疑極大地增加了控制節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度開銷。
　根據(jù)以上分析可知，本文所采用的方案(協(xié)議1)同其他的典型架構(gòu)方案相比無疑具有更大的優(yōu)越性。該方案結(jié)合了協(xié)議2和協(xié)議3各自的優(yōu)點(diǎn)，通過采用集中式控制、分布式感知、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的機(jī)制，盡可能地做到了揚(yáng)長避短，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和復(fù)雜度得到了兼顧。
參考文獻(xiàn)
[1] 王金龍，吳啟暉，龔玉萍，等.認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.
[2] LANEMAN J N， TSE D N C， WORNELL G W. Cooperative diversity in wireless networks：efficient protocols and outage behaviour[J]. IEEE Transactions on Information Theory，2004，50(1)：3062-3080.
[3] 李希金，紀(jì)紅.基于認(rèn)知的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)信道借用策略[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(5)：20-23.
[4] 鄭麗英，孟昱煜，王海涌.計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)與分析[M].北京：中國鐵道出版社，2009.