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一种分布式自适应访问控制协议的分析—在认知无线电网络的应用
摘要
无线电频谱的稀缺性已成为越来越重要的，因为越来越多的无线需求应用增加。虽然许多研究已经表明，这些带是已分配的频谱带有明显未被充分利用的大部分时间。的光谱和电子效率的利用缺乏的问题了利用认知无线电（CR）技术巧妙地解决这是一种投机取巧的网络感知环境，观察网络的变化，然后使用从以前的互动与网络的知识，使智能决策动态调整传输特性。在本文中，一些分散自适应介质访问控制（苹果）协议的铬网络已被严格分析，和一种新的自适应网络协议的铬网络，分散非全局MAC（dng-mac），提出了。结果表明，dng-mac优于其他CR-MAC协议条款时间和能量效率。
关键词：认知无线电，介质访问控制协议，通用控制信道，协作通信
一、介绍
新技术，如Wi-Fi的发展，细胞—对手机、蓝牙、电视广播和卫星建立无线电频谱是一种极限的巨大需求—有限的自然资源的范围从30千赫到300 GHz。对于每一个无线应用，一些部分的无线电频谱需要购买，联邦通信委员会（联邦通信委员会）分配的频谱为这样服务的一些费用。这种静态分配的无线电频谱导致了不同的问题，如饱和度在一些频段，稀缺性和缺乏无线资源，新的无线应用。在无线电频谱的频率已分配，虽然许多研究表明，分带不能高效使用。认知无线电（CR）技术是解决频谱短缺与利用电子效率。智能无线设备节点
从这个意义上的环境，观察网络的变化，然后使用知识从以前的互动与网络，并作出明智的决定，抓住机会，发送。这个过程的扫描频谱（S），交换控制信息（E），同意在白空间（A）和传输数据（T）在网络上被称为周期的周期不断重复。图1显示了一个认知无线电如何从它的环境中学习，并对其进行调整以适应网络变化。铬可以自动检测空闲频谱利用传输增加吞吐量的机会。凭借它的记忆能力，它可以安排一个新的呼叫由不同的载体，这些位置在呼叫与现有的服务下降。CR技术的基本功能已在图2.CR显示网络作为接入的频谱分配和动态框架。和频谱机会处理的自由通道，这是一个部分的无线电手稿收到2012年8月18日；修订2012年10月18日的频谱，而不是目前正在使用的主要用户（脓）。该频段的授权用户或PU是现有无线系统购买无线电频谱的一部分从FCC费，和那些利用空闲频谱机会主义通信无干扰的PU叫次级用户（SUS）。每个CR设备配有传感器和收发器，频谱感知，让SUS访问授权频段只要SUS不施加任何干扰脓液。
二．文献综述
不同领域的铬网络正在探索由科学家和研究人员。一些地方被结构，介质访问控制（MAC）协议、调度策略、频谱感知、服务质量（QoS），能量EffiCR网络的安全和效率。在CR网络中，M. A. Shah等人。认知无线电网络信道可用性的分布式自适应访问协议的分析，可以迅速改变，所以同步在网络中的协议，以适应环境和快速检测的自由通道，为随后的传输是一个关键的挑战。图3显示了频谱使用的脓液和自由通道的形成（也称为空格）。这些免费的渠道实际上是SUS发射机会。MAC协议处理这类信息在免费频道列表的形式（FCL）CR节点之间交换。MAC协议的CR网络大致可分为集中式和分散式fi。集中式MAC协议使用一个中央单位，通常称为基站，它负责检测，在认知无线电网络的认知多设备的协调和沟通（IEEE 802.22）
分布式MAC协议考虑如收发器数量的不同方面，信道接入机制，频谱感知技术，和选择标准控制信道[ 11，12 ]。例如，作者利用全球公共控制信道（GCCC）用于控制信息的交换而非GCCC使用在[ 15，16 ]设置初始条件配置对话框。张和苏[ 17 ]，和宋和林[ 18 ]不解决控制通道的设计约束，并认为一个专门的渠道已经存在的控制信息交换。图4显示了CR-MAC协议的分类阳离子。
三．认知无线电网络的分散自适应控制协议分析
在文章这这部分，我们认真分析分散的MAC协议的GCCC与非GCCC。
3.1认知无线电功能的多通道MAC（CREAM-MAC）协议的CREAM-MAC
CREAM-MAC [ 17 ]是一个分散的CR-MAC协议假定一个CCC已经发现，在附近的所有CR节点约定CREAM-MAC开始操作之前。发送者启动四对话框通过交换四种类型的数据包，即请求发送（RTS），清除发送（CTS），信道发射机（CST）和信道接收器（CSR）。控制信息对话框包含可用信道数、信道的可靠性和传输长度的信息。在商定的所有通信规则交换在握手过程中，数据是在一个免费的渠道共同SUS传送。CREAM-MAC计算PU PU的干扰概率和信道利用率，和聚集的throughput.cream-mac假定控制通道已经可以和永远可靠。相信找到一个信道交换控制信息认知节点的首要任务。如果未处理控制通道的存在，则后续操作无法进行处理。因此，一个有效的控制信道的不切实际的假设是不好的只是阳离子。
3.2 有机会的认知MAC(OC-MAC)协议
OC-MAC协议[ 19 ]是一个分散的、面向连接的MAC协议在CR网络。均不同于CREAM-MAC由于与无线局域网（WLAN）的共存。均采用专用信道的控制信息，其中CR节点与另一个数据信道预约竞争。像无线局域网IEEE802.11，CR节点采用分布式协调功能（DCF）机制[ 20，21 ]，和每个通道的状态与DCF的执行记录。均采用典型的交换RTS/CTS其次是CONfiRM RTS（CRT）。协议计算吞吐量和PU与fiC.均是分散的，交流CR-MAC协议得到的光谱传感器在物理层的专用控制信道的信息。关于专用通道性质的特殊fi阳离子（GCCC或非GCCC）中尚未解决的均。每个通道的统计数据都保持在通道状态表中，每一次扫描后的第二次用户更新。OC-MAC最大化网络的吞吐量，通过交换统计各次通信器在认知无线电网络。它避免了使用这些统计数据的碰撞。然而，有在OC-MAC使得CR节点不恰当的一些重要的设计缺陷。首先，对OC-MAC操作开始与专用控制信道可用于RTS/CTS和CRT交易的存在，并没有说明提供的专用控制信道。其次，在OC-MAC CR节点预测频谱孔长度。我们强烈批评这是因为CR网络的机会网络，很难fiNd的确切时期，PU不会利用频谱，频谱空洞的时间长度可以计算。最后，该协议声称与无线局域网共存。然而，这个理论的正当fi阳离子中没有明确提出。我们不认为CR节点需要共存的无线局域网由于WLAN利用工业，科学和医疗（ISM）fiC波段（例如，2.4 GHz）这已经是免费提供给任何用户。没有必要抓住机会在ISM频段传输，节点只需要争夺的ISM频段。
3.3统计信道的MAC协议（SCA-MAC）
SCA-MAC协议[ 14 ]智能感知的频谱和动态访问未使用或未充分利用的最小或没有干扰脓液谱。两个基本控制参数是SCA-MAC操作范围和渠道聚集。该协议采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）[ 22 ]的机制来实现更高的频谱利用率。避免与主用户的干扰，SCA-MAC评估其影响实时预测每个传输成功率。频谱感知是连续和快速地进行。SCA-MAC采用cyclostationery特征检测[ 23，24 ]
对于连续和快速的频谱感知。在控制信道请求交换发送（CRT）和控制信道清除发送（CCTS）帧GCCC，发送者和接收者都调整到约定的数据通道收发器。该协议可以加快传输使用多个信道的数据传输，并可以等待一段时间，为一个通道具有更高的带宽，成为可用。SCA-MAC是全球分散的CR协议进行双向握手送CRT和CCT值包含的信息帧的最佳时机。SCA-MAC强调数据的传输，而忽略预传输开销。显然，越来越多的帧交换控制信息不仅会增加QoS数据延迟也将有助于充分利用能源收入ffi节点将不得不等待更长的时间的实际传输开始之前。
3.4自适应MAC（A-MAC）协议
A-MAC协议[ 16 ]是一个分散的CR网络的MAC协议，这是在自然界中分布，不需要任何GCCC，并且可以利用备份数据通道时，更高的吞吐量要求。该协议考虑如带宽、不同通道的可靠性，信道条件，并进行通道索引速率适配，创造整箱及fiNd的最佳渠道。索引频道列表（ICL）是根据可用带宽。通道的带宽越高，通道的统计数据就越高。其他参数，利用建立的信道秩A-MAC是信噪比（SNR）、队列长度、帧错误率和过去的历史。该协议开始操作的RTS帧的发送和接收的ICL，回复自己的ICL。无论是通信伙伴切换到约定的数据信道的信道预留控制数据包的fiRM作为数据通道的白色空间交换后。
- MAC不同于前面讨论的协议，它利用非GCCC。然而，该方法通过在附近的CR节点汇聚非GCCC显然是失踪。它在CR网络中节点必须知道控制信道是非常重要的因为没有后续的传输可以不fiRSTfinding控制信道发生。此外，更多的控制帧和一个较重的大小的每个控制帧造成较高的预传输时间。因此，华润节点将努力抓住机会，利用白色的空间，必须要在PU活动被感知之前。
3.5 快速公平协议(-MAC)
-MAC协议代表了有效信道感知和接入机制的一个特设的CR网络。采用了一种五个方式控制信息。两种控制帧，类似于传统的RTS和CTS帧，通过专用控制信道传送。三控制信息，数据信道的空闲（DCI），DCI的ACK和准备离开（RTV），通过数据通道传送。主动释放频道提出f2-mac现象让CR用户是被动了解脓液的存在和节点腾出授权信道在PU回收。SUS在f2-mac感的数据通道，并将RTV帧，然后等待一定的时间。这个等待的时间足够长，脓确信他们的渠道是空的。所以PU可以不必从SUS的任何干扰接入信道。通过对授权信道发送多个帧，在CR网络的吞吐量提高。然而，fi控制框架和一定的等待时间在f2-mac协议传输征收最高费用。帧交换控制信息的最大数量是四多CR-MAC协议。交换fi控制框架不仅会消耗更多的移动的能量，也将错过CR节点发送的难得机遇。此外，f2-mac不指定专用控制信道是GCCC或非GCCC。
四．一种新型CR-MAC协议的设计与仿真
4.1一种新型CR-MAC协议
在不同的分布式MAC协议的分析，我们看到大多数CR-MAC协议不能启动通信直到启动对话框或握手，只能在控制信道，进行。上述协议避免碰撞的CSMA／CA在公共控制信道。然而，有一个专门的控制通道，可能是浪费资源。当一对SUS占用公共控制信道，其他所有的SUS谁是CCC的考生设置它们的网络分配矢量（NAV）等待CCC成为闲置。一些其他的问题可能是：1）总有一种“fiRST来fiRST得到”的机制来访问公共控制信道，所以穷人可能遭受长时间等待；2）计算成本太高的退避算法在公共控制信道达到饱和；3）次通信对这并没有结束，由于脓液到达通信必须在控制信道上开始重新谈判的过程。考虑到GCCC的弊端，我们提出了一种新的分散的非全局MAC（dng-mac）协议是基于控制信道的所有候选SUS使用时分多址（TDMA）的公平分配机制，fiRST CR节点在dng-mac启动操作中选择一个最好的渠道为常见控制信道。
在这种情况下，最好的渠道选择标准是任意的在开始的时候会重新fi内德成功传输的一定数量后。控制信道分为fi时隙固定长度。
每个时隙都有听力时间和收发时间。网络中的所有节点在每个时隙的侦听周期中都是同步的。dng-mac利用TDMA和FCL在收发期次用户通信对之间的交换（UCP），时隙的持续时间是通过计算每个二对在共同控制channel.fig完成谈判所需的平均时间仔细挑选。5显示了基于TDMA的分配控制信道和sucps在不同的白色空间的占用。我们强烈认为，由于认知无线电网络的饥饿性质，铬节点可能总是有数据
传输。所以就没有浪费时间槽，这也将给其他SUS公平接入到公共控制信道。图6给出了多通道协议的时序图。
dng-mac利用非GCCC和分N个时隙控制信道，其中n代表在CR网络的用户数。每个时隙都有听力的时期，所有的CR节点可以同步和收发周期，控制信息的交换发生。两种控制帧，可用信道列表（ACL）和前交叉韧带（ACL ACK确认），在每个CR节点的各个时隙交换。
ACL，ACL确认成功交换后，节点最终开始传输数据。总的等待时间在dng-mac CCC访问SUS比任何其他的MAC协议的等待时间。在这里，每一个苏了CONfi证明，它是在队列访问CCC。在这种方式中，不止一次传播对可以同时访问CCC。在频谱的空闲信道可被多个通信对通过有较短的等待时间获得CCC同时使用，从而提高整体吞吐量的CR节点。
4.2仿真及结果
该协议在OPNET Modeler 14.5模拟。随着100times;跨度100 m offiCE方案被认为是在CR节点与无线局域网节点的联盟。这个特设的场景包含10个CR节点。在给定的情况下，所有的设备都有能力在1 Mbps的传输功率传输消耗0.005 d B，和所有对利用差分相移键控（DPSK）调制型。控制帧的大小设置为20字节保持IEEE 802.11b作为基准。直接序列扩频（DSSS）物理层参数已部署。在控制通道的基础上，通过对认知无线电辅助用户平均协商时间的毫秒的时间已被设置为10毫秒。
证明功能和新颖的dng-mac协议的适用性，仿真运行300的每一个实验，10个实验获得的平均结果。在图7中已绘制了2个节点之间的全局统计图。由于突发流量ffiC自然成倍增加，产生了不均匀的曲线。由于CR节点不能发送到一个谈判的发生，和发送的机会要抓住，TRAffiC派仍在fiRST 50并逐渐增加约40 kbps的下一个100的模拟时间。
5. CR-MAC协议的比较评价
不同的CR-MAC协议已在上一节回顾。这些协议的一般行为，如图8所示。讨论的协议，有一些共同的特点，如控制信道的选择标准和访问机制等，而其他功能是独特的。在传输数据之前，使用多个框架来控制信息交换。如果某些PU活动数据信道上的感应，SUS开关CCC重新谈判。在表1中总结了自适应访问协议的这些特点。
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