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基于生态启发的异构共存无线网络
摘要
为了利用认知无线电技术促进对TVWS的机会性使用，一系列无线标准（例如：IEEE 802 .11af和 IEEE 802.22）已经被研究出来或者正在被研究。当基于不同的无线标准的异构认知网络同时接入相同的TVWS频段内时，共存问题可能会导致严重的麻烦。由于共存网络体系中MAC层与PHY层的不兼容性，促进异构认知无线网络之间通过直接协作式进行合作式共存的这一方法是非常具有挑战性的。而且，直接的协作会需要网络之间竞争，或者是需要一个服务商来交换一些敏感的控制信息，而这些信息可能会引起利益冲突问题和客户关注的隐私问题。在这篇文章中，我们提出一种称作SHARE的架构，这种架构可以促使异构认知无线网络在TVWS频段内的合作式共存。通过模拟在一个稳定的生态系统中不同种类的物种之间的共存关系（例如：物种间竞争），SHARE架构通过一个中间调节系统为异构认知无线网络的频谱竞争建立了一种间接协调机制，这种机制可以避免直接合作式的缺点。理论分析和仿真结果都表明：在没有任何网络间直接协作的情况下，SHARE架构可以为共存的网络之间提供加权公平性的频谱分配。
1.简介
为了能够促进次级网络通过认知无线电技术对TVWS频段的利用，工业领域和研究领域利益相关者已经初步完成了制定标准的工作。这些工作包括IEEE 802.22无线局域网标准，IEEE802.11af标准，ECMA392等。所有的这些标准都依靠认知无线电技术来解决存在于初级网络和次级网络之间以及多个次级网络之间的具有挑战性的共存问题。在这篇文章中，我们主要研究次级网络之间的异构共存，这些次级网络在TVWS频段内采用的是不同的无线技术，同时，我们用“CR-network”来表示工作在TVWS频段内可行的CR无线网络。
无线网络之间的共存方案可以大致分为两类：（1）非合作式共存方案，这种方案只有当共存网络之间无法合作时才会存在，比如WiFi网络和ZigBee网络之间的共存。（2）合作式共存方案，这种方案发生在共存的网络之间可以直接进行协作，比如802.22网络中的自共存方案。
由于大量的技术和政策原因，当前的共存方案还不能够充分处理存在于TVWS频段内的异构共存问题。由于MAC层策略的不兼容问题，非合作式的方案不能促进异构无线网络之间的共存。合作性的策略可能需要不同的网络之间交换一些敏感信息（例如，流量负载，带宽需求）从而商议出频谱分配的策略，这可能会对那些具有竞争关系的无线移动网络或者服务商们造成利益冲突问题和隐私问题。然而，找一个第三方作为全局或者中央的决策人是非常困难的，况且第三方还需要监督所有的异构网络并进行频谱分配。
在这篇文章中，我们提出一种的称为SHARE共存架构，这种架构利用一种间接合作的方法来促进异构网络之间的共存。正如它的名字所表明的一样，所提出的架构是由生态系统中存在的种间关系所启发得来的。生态中用共存关系这一术语来描述通过间接合作来构建关系的不同物种之间的共生。SHARE机制利用一个中间系统（例如，802.19.1系统）来发送处理后的数据信息从而在共存的网络之间建立间接的合作机制。在物种间资源竞争模型的激励启发下，SHARE采用了基于生态启发的频谱分配算法，这种算法可以使每一个认知无线网络自动决定它所需要占用的频谱而不需要同具有竞争关系的网络进行直接商量。我们的理论分析和仿真结果表明，SHARE可以保证频谱分配的公平性以及提高频带利用率。
这篇文章的剩余部分的组织结构如下：在第二章节，我们提供中间调节系统的背景知识和理论生态学知识。在第三章，我们给出SHARE的概述。第四章节主要讲述SHARE的算法以及理论证明。在第五章节，我们利用仿真结果对SHARE的性能进行评估。最后第六章总结全文。
2.技术背景
正如前面所提到的，SHARE采用一个中间调节系统在无线认知网络中之间建立一种间接的合作关系。需要注意的是，中间调节系统不是一个全局的决策者。在使用中间调节系统所提供处理后的信息的条件下，认知无线网络利用本文所提供的算法可以自主地做出共存决定。
A.中间调节者
最近成立的IEEE 802.19.1TG组织被赋予了制定标准化方法的任务，这些标准化方法是为了促进不同的或者独立操作的网络之间共存而制定的无线接入技术。这种标准目前正处于被研究开发中，同时它还没有规定固定的解决方法。IEEE 802.19.1 系统定义了一系列逻辑实体和一系列促进异构认知无线网络之间共存的标准化接口。
图1 802.19.1系统的体系结构
在图1 中，我们展示了802.19.1系统的体系结构，这种体系结构包括如图灰色框框中的三种实体：（1）共存管理者作为当地共存过程的决策者；（2）共存数据库和信息服务器为共存管理者提供相关的共存控制信息；（3）共存促进者促进802.19.1系统和TVWS频段 设备网络之间的通信。TVWS数据库包含原始用户使用的信道的列表和位置信息，它通过回传网络和802.19.1系统进行连接。
B.生态系统中的种间竞争
在生态系统中，物种竞争是一种分布式竞争形式，在一个生态系统中，不同物种的个体为了相同的资源而竞争，在竞争的过程中物种之间没有进行直接交流。用一个称作L-V竞争模型的数学模型对物种间竞争对物种数量产生的影响进行形式化。在L-V模型中，对物种数量的动态变化影响可以用一个微分方程来描述，如下：
（1）
在这个方程中，表示物种i的数量，是覆盖容量（在一个环境中只存在一种物种时该物种的最大数量），是增加的本征速率，是竞争共存参数表示物种j的数量增加对物种i数量的动态变化影响。物种间竞争模型曾经被用来模拟TCP数据流的带宽分配问题。
3.SHARE概述
在这一章节中，我们提出系统模型，基本假设和SHARE系统结构。
A.系统模型
我们假设有n个异构共存网络，这些网络存在于相同的包含N个可识别的信道的频谱带宽内。表示一系列网络集合，这个集合内的所有网络在中间调节系统内均有注册。每一个网络由多个设备和一个基站（或者接入点）组成。信道用索引1,2,3，.....,N-1来标记。
时间谱块 将时间分成周期，每一个周期包括个复帧，每个复帧包括f个帧（可以在IEEE 802.16和IEEE 802.22中找到这种基于帧的结构）。在这篇文章中，我们使用时间谱块作为频谱分配的最小单元，时间谱块可以用信道索引和帧索引来定义。特别地，我们重点提出用三元数组（i,j,k）来表示时间谱块，（i,j,k）表示在信道i上的第j个复帧中的第k个帧。信道i有f个可以在一个周期内被分配的时间谱块。我们假定一个基站或者有多个无线电的网络能够同时在不同的信道上扫描和接入多个时间谱块。然后，我们定义容量C等于一个周期内的时间谱块的全部数量，给定N个信道。
带宽需求 我们定义一个网络的带宽需求量等于时间谱块数目，而所定义的网络需求量必须满足服务质量对流量负载的需求。用表示网络i的带宽需求。
基于调节者的间接合作 SHARE体系结构为共存网络提供建立了一个基于调节者的间接协作机制。共存网络之间没有直接的协调合作，而是只有通过第三方调节者才能和彼此交换控制信息。特别地，SHARE使用共存数据库和信息服务器（它是802.19.1系统的一个组成部分）作为中间调节者。需要注意的是，共存数据库和信息服务器不是全局的或者集中的决策者，相反它是一个具有简单数据处理能力的信息目录服务器。
处理信息的必要性 中间调节者帮助解决利益冲突问题和客户隐私问题，这两种问题可能发生在当由竞争服务提供商操作的共存网络被要求交换业务信息以便执行共存机制时。中间调节系统处理从共存网络接收到的敏感信息然后将处理后的信息发送回给他们。共存网络利用处理后的数据进行合作共存。
Ｂ．生态启发式频谱分配
如前面所述，异构网络之间通过直接的合作进行频谱分配可能不太可能实现（由于缺乏基础设施），也可能太昂贵，甚至由于竞争网络运营商不想提供敏感信息而特意避开采用这种方法。相对于直接合作，SHARE架构采用了一种间接的协作机制，这种机制是在生物圈中物种间竞争模型的启发下提出的。
设计目标：在频谱分配过程中，一个网络必须要知道它能够占用多少频谱即所需要的频谱带宽。假设时间谱块是频谱分配的最小单元。用Si表示分配给网络i的时间谱块的个数，Si即网络i共享的频谱。
我们的目标是：当分配给每个网络的时间谱块数和它提供频谱带宽需求成线性关系时，频谱分配过程最终才达到稳定状态。
生态启发 在生态系统中，一个物种的物种数量在种间资源竞争过程中是动态变化的，物种数量可以通过L-V竞争模型进行描述。在网络共存的情况下，给定带宽需求后，我们可以建立一个加权竞争模型来帮助决定一个网络所分配的频谱。
中间调节者和网络之间的信息交换 中间调节者和每一个认知无线电网络交换两种类型的控制信息：（1）上传当地的报告。网络i向中间调节者报告Si的当前值；（2）下载处理后的信息。中间调节者向网络i回复所有其它共存的网络分配的时间谱块数量和，如
C.将问题公式化
假设表示n个共存网络组成的一个集合，每一个网络有独自的带宽需求R1，R2，...,Rn,同时所有的网络都工作在相同的WS频段内。共存网络的第一个目标是将WS频段分割成n块，每一块的带宽大小和每一个网络独立的带宽需求成线性关系，而且各个网络之间不相互分享独自的带宽需求信息。
用S()=[S1,S2,...,Sn]表示集合在WS频段内的频谱共享向量。我们定义公平性用F(S())来表示：
（2）
当F(S())达到最大值时，分配给各个网络的频谱带宽和它的带宽需求成线性关系。
用Ii表示网络i所知道的共享控制信息集合，很容易发现.然而，我们假设，比如共存的网络i和网络j并不知道对方的需求。
我们提出一种加权公平的频谱分配算法的规划，在这种规划中，异构网络动态决定它们的频谱共享值。
问题1:给定一个包含n个工作在N个信道中的共存网络的集合，我们必须解决下面的问题从而为集合找到频谱分配的向量
使 F(S())取得最大值等价于
第一个限制条件保证了加权公平性。
4.基于生态启发的频谱分配算法
A.加权公平的频谱竞争模型
(1)L-V竞争模型的稳定平衡：L-V竞争模型提供了一种用来定义稳定均衡状态的方法并找到了实现它的有效方法。如果考虑方程（1）描述的物种间竞争过程，任意两个物种i,j满足条件,那么达到稳定均衡的充分条件是。
(2)基本的频谱竞争模型：在表1中，我们可以发现生态系统和认知无线电网络之间一系列的类推关系。根据方程（1）和这些类推关系，我们可以很容易地得到下面基本的频谱竞争模型,
(3)
其中，Si表示网络i的共享频谱数量，r表示增加的本征速率。在方程（3）中，载波容量和N个信道一个周期内的时间谱块数目相等。竞争系数lt;1可以保证稳定均衡，比如，所有的竞争网络具有相同的频谱共享值。
表1 生态系统和认知无线电网络之间的映射关系
|
生物生态系统 |
认知无线电网络系统 |
|
一种物种 |
一个网络 |
|
一种物种的物种数量 |
一个网络的共享频谱数量 |
|
数量变化（增加或者减少） |
共享频谱的动态变化 |
接下来，我们将解释如何把一个基本的竞争模型拓展到具有加权公平性的频谱竞争模型，加权公平的频谱竞争模型需要满足达到稳定均衡的加权公平条件，如下：
（3）具有加权公平性的频谱竞争模型：基本的频谱共享模型保证了稳定均衡，这种稳定均衡状态下所有的竞争网络具有相同的频谱共享值。然而，解决问题1 必须要满足加权公平的条件，这就表明竞争网络的频谱共享值和它们的带宽需求成线性关系。比如，如果网络i的带宽需求是网络j的带宽需求的2倍，那么分配给网络i的频谱带宽应该
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