基于信标信息广播的会合算法仿真

华夏杰

(中国计量大学，浙江 杭州 310018)

基于信标信息广播的会合算法仿真

华夏杰

(中国计量大学，浙江 杭州 310018)

会合是基于认知无线电网络的一个基础核心问题。近年来，会合算法一直是研究的重点方向。提出了一种基于信标信息广播的会合算法，通过建模仿真，对会合时间特性进行了统计分析，从统计结果得出：当公共信道数远小于可用信道数时，基于信标信息广播的会合算法远优于增强型跳转-停止(EJS)算法；当公共信道数与可用信道数基本相等时，EJS会合算法优于基于信标信息广播的会合算法；当公共信道数与可用信道数之比接近1/2时，2种算法的会合性能基本接近的结论。因此，在公共信道数稀少的恶劣电磁环境下，基于信标信息广播的会合算法具有优良的会合能力，对今后的算法研究可提供有意义的启示。

认知无线电；会合；广播；节拍；时隙

1 概 述

随着认知无线电研究和应用的发展，认知无线电的内涵和外延也在不断扩展，基于频谱感知的认知无线电网络(CRN)是一种新型通讯网络，该网络可以动态、灵活、智能地使用频谱资源，通过对无线通信网络环境的交互感知进行智能规划、决策和调度，自组织地实现组网并适应于具体无线通信环境，有效优化网络资源的管理和使用状况，从而可以提高频谱资源的利用效率，更能适应复杂动态电磁环境[1]。它与其它通讯网络最大的不同之处在于：网络中次用户对于作为传输媒介的无线频谱使用不是固定的，而是伺机接入的。

CRN本质上是一种多信道无线网络，网络中的频谱可以划分为独立的、不重叠的信道，次用户通过感知“频谱空穴”，在处于空闲状态的信道(次用户的可用信道)上进行通讯，2个或多个次用户需要在相同的可用信道上相遇且建立彼此间的通讯连接，使得接下来的信息交互、频谱管理、数据通信等可以进行。2个或者2个以上用户在相同可用信道上相遇并建立通讯链路的过程被称作“会合”。会合是CRN组网媒体访问控制(MAC)协议需要解决的首要问题，因为收发双方如果无法找到彼此并在相同信道上进行通讯，那么接下来的工作便无从谈起。因此，会合问题是认知无线电网络的一个基础核心问题。由于在CRN中，次用户在会合前无法获知彼此的存在，同时主用户的通讯活动使得次用户的可用信道会随着时间、空间的变化而不断地发生变化，并且次用户相互之间的变化并不一样，在频域和空域上呈现异构特性[2-3]，这就使得会合面临许多待解决的难题。

以下面的假设条件对会合问题进行研究：

(1) 在某场景下有公共无线通信信道N条。

(2)A、B为该场景下的独立的2个无线通信节点，不受其他节点控制且均没有精确时钟同步功能。

(3)A、B均能够对自身可用信道(空闲信道)进行感知，感知周期分别为TA和TB，且A、B感知到的可用信道集合可能不同。

(4) 由于场景中存在动态变化因素，A、B在各自前后2个感知周期内所感知到的自身可用信道集可能不同。但是，A、B之间总能找到至少1条共同信道。

(5)A、B均能够在已感知的自身可用信道集合中自由选择某一条信道进行某一项信号的收发操作。这些操作包括感知当前可用信道、发射自己的信标信号、接收其他节点的信标信号。

(6)A、B都以节拍为时间单位进行工作，即整个时间被分割成相同长度的时间节拍，每个节拍内只完成一项操作(如发射信标、感知环境或者静默侦听)，一项操作可以包含多个节拍。

(7) 当满足下列2个条件时，可以认为A、B成功实现了会合：

(1)A、B选择了相同的信道；

(2) 其中一个节点感知到了另一个节点的信标信号。

近年来，用于解决会合问题的会合策略一直是研究的热点，相关研究者提出了大量的会合策略，如Z.Lin,H.Liu等学者提出了具有优良性能和环境适应性的会合算法——增强型跳转-停止(EJS)算法。其基本原理为：周期序列依次由一个“跳模式”和一个“停模式”组成。在跳模式下，用户在可用信道集上不断跳转；在停模式下，用户等待在一个特定信道上不进行跳转。用户可用信道数为M，用户选择一个初始信道c1和随机选择跳转步长r，P为大于M的最小素数。跳模式持续3P个时隙，停模式持续P个时隙。用户产生长度为4P的周期序列。跳转序列由下式决定：

(1)

式中：CN为该节点在第tp个时隙所跳转到的可用信道编号；c1为节点任意选取的初始信道编号，c1∈[1，P]；r为任意选取的跳转步长，r∈[1，M]，每完成一个周期序列，r=r+1。

当节点跳转的信道编号大于可用信道集时，由下式修正：

CN=(CN-1)modP，CN>M

(2)

目前，对在异步模式下会合的研究大多是通过改进算法来保证两节点会合，但对节点发射的信标信息未加以利用。本文则提出了一种基于信标信息广播的会合算法，即通过向每个可用信道发射信标信息的方法来提高会合概率。每个节点发射信标信号分为群发模式和专发模式2种，群发模式即是对每个可用信道均发本节点的信标信号，专发模式则在某个信道上发射本节点的信标信号。

下面通过建立仿真模型，对基于信息广播的会合算法和EJS会合算法的平均会合时间和最大会合时间进行对比分析。

2 模型假设及符号说明

2.1 模型假设

2.1.1 基础条件假设

假设A、B节点分别在N个信道中感知MA、MB个可用信道，这2组可用信道有MAB个公共信道。

每个节点对各自的可用信道集进行编号，使1～MA(或MB)个信道分别与其在N条公共无线通信信道中的序号一一对应。

在检测信标信号时，不考虑其响应时间Δtp，即Δtp=0。

衡量会合算法最重要的度量是会合时间，即节点由开始尝试会合到实现会合所花费的时间。由于会合过程以节拍为最小时间长度，因此，设定值为kjp的会合时间计数器，假设B节点滞后A节点kdy个节拍开始进行第1次尝试会合，则在该时刻，kjp=1，然后每经过一个节拍，计数器kjp值累加1，直到实现会合。

2.1.2 基于信标信息广播的会合算法模型假设

每个节点完成感知可用信道集后，转入群发模式。在群发模式下，每个节点首先选择各自编号为1的可用信道作为当前的接收信道，先接收ka(或kb)个节拍时间，若未接收到对方节点的信标信息，则按编号依次在每个可用信道发射信标信息，完成在全部可用信道的信标信息发射后，再转入接收模式，接收2×MA(或MB)个节拍的时间。若仍未收到对方节点的信标信号，则按可用信道的编号顺序转入下一个信道，继续以上过程。

在群发模式下，若有一个节点在当前信道收到了另一节点的信标信息，则可确定该信道为公共信道，该节点便可转入专用模式。

在专用模式下，保持当前接收信道不变，节点按每发射1个节拍信标信息，接收3个节拍的方式工作。这时，若仍在群发模式的另一节点接收到专用模式下发射的信标信号，即可完成会合。

2.1.3 EJS会合算法模型假设

A节点感知到可用信道集后，计算出大于MA的最小素数PA，再按可用信道编号，随机选取初始信道ca1、跳转步长ra，并按公式计算出可用信道编号，根据该编号，确定当前的工作信道。

B节点与A节点进行相同的操作。

为仿真A、B两节点均处于相同的收发节拍而无法会合，取1个时隙，由8个节拍组成节拍序列，分3种工作节拍序列，分别为：

(1) 接收1节拍，发射1节拍，接收2节拍，发射1节拍，接收3节拍；

(2) 接收1节拍，发射1节拍，接收3节拍，发射1节拍，接收2节拍；

(3) 接收1节拍，发射1节拍，接收1节拍，发射1节拍，接收4节拍。

在每个时隙的开始，每个节点随机选取其中一种工作节拍序列，每个节点随时隙跳转的信道编号由公式(1)、(2)决定。

当A节点收到B节点的信标信号或当B节点收到A节点的信标信号时，即可完成会合。

2.2 符号说明

ATTR：平均会合时间，指在不同情况下(如A、B节点开始尝试会合时间的延时不同、算法随机的初始值不同等)多次完成会合所花费时间的均值。

MTTR：最大会合时间，指在不同情况下(如A、B节点开始尝试会合时间的延时不同、算法随机的初始值不同等)多次完成会合所花费时间的最大值。

JTTR：会合时间标准差，指在不同情况下(如A、B节点开始尝试会合时间的延时不同、算法随机的初始值不同等)多次完成会合所花费时间与平均会合时间的标准差。

3 模型的建立与分析

3.1 模型建立

3.1.1 基于信标信息广播的会合算法模型

用MATLAB对基于信息广播的会合算法的一次独立运算的会合仿真过程模型描述如下：

步骤1：初始化仿真参数，根据A、B节点的可用信道数MA、MB及公共信道数MAB，产生A、B节点的可用信道集合CHA、CHB。

步骤2：B节点开始进行第1次尝试的会合时间为滞后A节点的节拍数kdy(kdy为随机节拍数)，确定A、B两节点的当前接收信道，计算出A节点当前节拍的状态(B节点当前节拍为接收状态)，并设计数器kjp=1。

步骤3：尝试会合，如果节点的当前节拍状态处于接收状态，则测试能否收到对方节点的信标信号；若接收到，则该节点转入专用模式，执行步骤5；若双方均未接收到对方的信标信号，则计数器kjp值累加1。

步骤4：更新数据，若A、B两节点的时隙发生变化，则更新当前接收信道和当前节拍状态；否则，只更新当前节拍状态，重复步骤3。

步骤5：转入专用模式的节点，保持接收信道不变，按每发射1个节拍信标信息，接收3个节拍的方式工作。这时，若仍在群发模式的另一节点接收到专用模式下发射的信标信号，即可完成会合，返回kjp的数值。

通过上述步骤建立的仿真模型，取MA=MB=10，MAB=1，其公共信道为信道10，则执行某次会合的仿真过程如图1所示。从图1中可以看出，A节点在第196个节拍时收到了B节点的信标信号，随即进入专用模式，直到B节点跳转至信道10，完成会合。

图1 基于信息广播会合算法的会合仿真过程

3.1.2 基于EJS会合算法的模型

用MATLAB对基于EJS会合算法的一次独立运算的会合仿真过程模型描述如下：

步骤1：初始化仿真参数，根据A、B节点的可用信道数MA、MB及公共信道数MAB，产生A、B节点的可用信道集合CHA、CHB。

步骤2：B节点开始进行第1次尝试的会合时间为滞后A节点的节拍数kdy，每个节点通过随机产生的初始信道编号和跳转步长计算出当前工作信道。

步骤3：每个节点随机选取1组节拍序列，计算出各自的当前节拍状态，并置计数器kjp=1。

步骤4：尝试会合，如果节点当前节拍状态处于接收状态，则测试能否收到对方节点的信标信号，若接收到，则完成会合，并返回kjp的数值。

步骤5：更新数据，若双方均未接收到对方的信标信号，则计数器kjp值累加1。若A、B两节点的时隙发生变化，则更新当前接收信道和当前节拍状态；否则，只更新当前节拍状态，重复步骤4。

通过上述步骤建立的仿真模型，取MA=MB=10，MAB=1，其公共信道为信道10，则执行某次会合的仿真过程如图2所示。

图2 基于EJS会合算法的仿真过程

3.2 模型分析

用MATLAB完成对基于信标信息广播的会合算法和EJS会合算法进行建模后，通过统计实验仿真A、B两节点会合所用的时间，分析2种算法模型的平均会合时间(ATTR)、最大会合时间(MTTR)和会合时间标准差(JTTR)，实验采用对会合所需要的节拍数进行统计的方法，每个统计实验都进行10 000次独立运算。

当公共信道数MAB=1时，取A、B两节点的可用信道数分别为MA=MB=[10,20,30,40]，2种算法模型的会合时间统计见表1。

表1 公共信道数为1时，会合时间统计表

当公共信道数MAB=MA=MB时，取A、B两节点的可用信道数分别为MA=MB=[10,20,30,40]，2种算法模型的会合时间统计见表2。

表2 公共信道等于可用信道数时，会合时间统计表

当公共信道数MAB=MA/2时，取A、B两节点的可用信道数分别为MA=MB=[10,20,30,40,50]，2种算法模型的会合时间统计见表3。

表3 公共信道数为MA/2个时，会合时间统计表

从统计结果可以看出，当公共信道数远小于可用信道数时，基于信标信息广播的会合算法远优于EJS会合算法；当公共信道数与可用信道数基本相等时，EJS会合算法优于基于信标信息广播的会合算法；当公共信道数与可用信道数之比接近1/2时，2种算法的会合性能基本接近。

4 模型的评价与推广

会合是基于该技术的认知无线电网络的一个基础核心问题。近年来，会合算法一直是研究的重点方向，本文提出的基于信标信息广播的会合算法在公共信道数稀少的恶劣电磁环境下，具有优良的会合能力，对今后的算法研究可提供有意义的启示。在实际使用中，可根据感知信道数量、感知信道的质量进行分组策略，以进一步减少会合时间。

[1] HOVEN N.On the feasibility of cognitive radio[D].Berkeley:University of California,2005.

[2] 刘权，赵光胜，王晓东，等.认知无线电网络信道交汇研究综述[J].软件学报,2014,25(3):606-630.

[3] LIANG Y C,CHEN K C,LI G Y,et al.Cognitive radio networking and communications:an overview[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(7):3386-3407.

[4] 左明智.认知无线电网络中会合算法的仿真与改进[D].广东：广东技术师范学院,2015.

SimulationofRendezvousAlgorithmBasedonBeaconInformationBroadcasting

HUA Xia-jie

(China Jiliang University,Hangzhou 310018，China)

The rendezvous is a fundamental core issue of the cognitive radio network.In recent years,the rendezvous algorithm has always been the important direction of research.This article proposes a rendezvous algorithm based on the beacon information broadcast，analyzes the characteristics of the rendezvous time statistically through the modeling and simulation.That can be obtained from the statistical results:when the number of common channels is much smaller than the number of available channels,the convergence algorithm based on beacon information broadcasting is far superior to the enhanced jump-stay (EJS) convergence algorithm;when the number of common channels is equal to the number of available channels,the EJS rendezvous algorithm is superior to the rendezvous algorithm based on beacon broadcast;when the ratio of the number of common channels and the number of available channels is close to 1/2,the rendezvous performance of two algorithms is almost equal.Therefore,in the harsh electromagnetic environment of few public channels,the rendezvous algorithm based on beacon information broadcasting has excellent rendezvous ability and can provide meaningful enlightenment for the future algorithm research.

cognitive radio;rendezvous;broadcasting;beat;time slot

TN915

A

CN32-1413(2017)05-0065-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.014

2017-05-16