認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的MAC層關(guān)鍵技術(shù)
認(rèn)知無(wú)線電(CR)技術(shù)通過(guò)對(duì)授權(quán)頻譜進(jìn)行“二次利用”的方式，有效地緩解了頻譜資源缺乏與日益增長(zhǎng)的無(wú)線接入需求之間的矛盾，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
為實(shí)現(xiàn)CR用戶(hù)利用頻譜空穴的同時(shí)避免對(duì)授權(quán)用戶(hù)造成有害干擾，要求CR網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制(MAC)層不僅提供傳統(tǒng)的服務(wù)，如媒體接入控制和健壯的數(shù)據(jù)傳輸，還能支持一套全新的功能，即在不干擾授權(quán)用戶(hù)的條件下有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)式頻譜利用。這些新的功能體現(xiàn)在MAC層的頻譜檢測(cè)管理、接入控制、動(dòng)態(tài)頻譜分配、安全機(jī)制及跨層設(shè)計(jì)等各個(gè)方面，下面將針對(duì)上述各技術(shù)分別進(jìn)行探討。
1 MAC層頻譜檢測(cè)管理
MAC層頻譜檢測(cè)管理主要用于控制物理層頻譜檢測(cè)算法的執(zhí)行，如決定檢測(cè)哪些信道、何時(shí)檢測(cè)等。目前MAC層頻譜檢測(cè)管理的研究主要關(guān)注檢測(cè)策略和檢測(cè)參數(shù)的選取及優(yōu)化，包括檢測(cè)模式的選取、檢測(cè)周期及檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)的設(shè)置、檢測(cè)信道的選取和檢測(cè)靜默期的設(shè)置等。
根據(jù)CR用戶(hù)檢測(cè)時(shí)機(jī)的不同，檢測(cè)模式可分為周期檢測(cè)和按需檢測(cè)。周期檢測(cè)是指CR用戶(hù)按一定的周期檢測(cè)信道，而不僅是有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)才進(jìn)行檢測(cè)。這種方式可周期性地收集信道的狀態(tài)信息，利于估計(jì)信道狀態(tài)，快速定位頻譜空穴。按需檢測(cè)則是當(dāng)CR用戶(hù)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才去檢測(cè)信道。相比周期檢測(cè)，按需檢測(cè)減少了不必要的檢測(cè)開(kāi)銷(xiāo)，但檢測(cè)到頻譜空穴的時(shí)間較長(zhǎng)。依據(jù)“能量效率”原則，通過(guò)對(duì)檢測(cè)所消耗能量和尋找空閑信道所需延時(shí)進(jìn)行折衷，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)模式的自適應(yīng)選擇。
在周期檢測(cè)中，選擇合適的檢測(cè)周期十分關(guān)鍵，若檢測(cè)周期過(guò)大，則會(huì)因無(wú)法檢測(cè)到某些空閑頻譜，而損失掉一些接入機(jī)會(huì)，同時(shí)也會(huì)因未能及時(shí)檢測(cè)到授權(quán)用戶(hù)的出現(xiàn)而產(chǎn)生有害干擾；若檢測(cè)周期過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致過(guò)于頻繁的檢測(cè)，消耗不必要的能量。周期檢測(cè)通常包括同步周期檢測(cè)和異步周期檢測(cè)兩種機(jī)制。同步周期檢測(cè)機(jī)制為所有信道設(shè)置相同檢測(cè)起始時(shí)間和相同檢測(cè)周期，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺乏靈活性；相對(duì)應(yīng)的，異步周期檢測(cè)機(jī)制靈活性受到了更多的關(guān)注。
文獻(xiàn)[1]以最小化損失接入機(jī)會(huì)為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種自適應(yīng)的異步檢測(cè)周期優(yōu)化算法。算法針對(duì)每個(gè)信道分別自適應(yīng)設(shè)置其檢測(cè)周期，對(duì)于減小定位空閑頻譜時(shí)長(zhǎng)，最大化利用接入機(jī)會(huì)起到了一定作用，但對(duì)每個(gè)信道來(lái)說(shuō)，檢測(cè)周期仍然是固定間隔的，即最優(yōu)檢測(cè)周期一旦選定就不再改變，本質(zhì)上仍然是一種基于固定檢測(cè)周期的檢測(cè)機(jī)制。
作為固定周期檢測(cè)機(jī)制的推廣，]提出了一種基于可變檢測(cè)周期(FSP)的檢測(cè)機(jī)制，引入了“檢測(cè)間隔控制因子”，通過(guò)調(diào)整該因子實(shí)現(xiàn)在信道狀態(tài)可能發(fā)生變化的區(qū)域縮小檢測(cè)周期，提高檢測(cè)的效率，體現(xiàn)了周期變化的靈活性。為將FSP機(jī)制的可變檢測(cè)周期進(jìn)一步推廣到隨機(jī)檢測(cè)周期，又引入了每隔一段隨機(jī)時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)的隨機(jī)檢測(cè)機(jī)制(RAPSS)，并提出了更具有一般性的檢測(cè)周期優(yōu)化模型(MRM-SPO)，同時(shí)考慮了實(shí)際應(yīng)用中由物理層檢測(cè)算法局限性引起的檢測(cè)錯(cuò)誤存在情況，及為避免與授權(quán)用戶(hù)頻譜沖撞引入的CR用戶(hù)延遲占用信道機(jī)制等對(duì)檢測(cè)周期優(yōu)化的影響。
檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)作為周期檢測(cè)的另一個(gè)主要參數(shù)，其設(shè)置的合適與否本質(zhì)上是檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)速度折中的體現(xiàn)?？s短檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)質(zhì)量下降；增大檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)可提高檢測(cè)質(zhì)量，但同時(shí)會(huì)降低可用空閑頻譜的利用率。檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)除與底層硬件設(shè)備及物理層檢測(cè)算法直接相關(guān)外，還可根據(jù)CR用戶(hù)對(duì)空閑頻譜的利用率、檢測(cè)速度與檢測(cè)性能折中等指標(biāo)進(jìn)行選取和優(yōu)化。
為快速尋找頻譜機(jī)會(huì)，除了對(duì)檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化外，還涉及到檢測(cè)信道的選取問(wèn)題?，F(xiàn)有關(guān)于選取檢測(cè)信道的研究主要包括以下幾個(gè)方面：選取最有可能空閑的信道進(jìn)行檢測(cè)、優(yōu)化信道檢測(cè)順序等。
此外，檢測(cè)靜默期的設(shè)置也是MAC層頻譜檢測(cè)管理的重要研究?jī)?nèi)容。從CR網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，CR用戶(hù)檢測(cè)CR網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一頻譜時(shí)，所有系統(tǒng)內(nèi)其他工作于這個(gè)頻譜的用戶(hù)都應(yīng)需要一段時(shí)間保持靜默，以確保CR用戶(hù)自身的通信不會(huì)干擾到對(duì)授權(quán)用戶(hù)信號(hào)的檢測(cè)，其中這段時(shí)間稱(chēng)為靜默期。
靜默期按照實(shí)現(xiàn)方式的不同可以分為兩種：同步靜默期和異步靜默期。在同步靜默期方式中，同一時(shí)間CR用戶(hù)在系統(tǒng)所有可用信道上都停止發(fā)射信號(hào)，設(shè)置較為簡(jiǎn)單，每個(gè)CR用戶(hù)都能夠檢測(cè)所有信道；異步靜默期方式則是一個(gè)或多個(gè)CR用戶(hù)在所占用的特定信道上停止發(fā)射信號(hào)，每個(gè)信道可以有不同的靜默期，CR用戶(hù)通常只能檢測(cè)自身所占用的信道。由于同步靜默期的實(shí)現(xiàn)需要?jiǎng)討B(tài)寬帶濾波器的支持，目前的研究多關(guān)注異步靜默期，主要有利用保護(hù)間隔的異步靜默期、時(shí)間不重疊的異步靜默期等。#p#
2 MAC層接入控制
MAC層接入控制的功能是確定CR用戶(hù)是否可以接入網(wǎng)絡(luò)及采用何種策略接入，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化頻譜分配的基本前提。由于授權(quán)用戶(hù)接入信道具有絕對(duì)優(yōu)先權(quán)，授權(quán)用戶(hù)和CR用戶(hù)是主從式動(dòng)態(tài)接入信道的，這種關(guān)系體現(xiàn)于：當(dāng)授權(quán)用戶(hù)未占用信道時(shí)，CR用戶(hù)機(jī)會(huì)接入空閑信道；當(dāng)授權(quán)用戶(hù)再次出現(xiàn)時(shí)，CR用戶(hù)要及時(shí)退出正在使用的信道，避免和授權(quán)用戶(hù)發(fā)生碰撞。通常將CR用戶(hù)與授權(quán)用戶(hù)的共享信道組成一個(gè)頻譜共享池。根據(jù)授權(quán)用戶(hù)接入頻譜共享池時(shí)是否考慮CR用戶(hù)的存在可以將CR用戶(hù)的接入控制分為與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)接入和透明接入兩種類(lèi)型。
2.1 與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)的接入控制
若授權(quán)用戶(hù)的接入控制策略能夠根據(jù)CR用戶(hù)進(jìn)行調(diào)整，則CR用戶(hù)可以與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)接入頻譜池。在這種接入方式下，授權(quán)用戶(hù)考慮信道上是否存在CR用戶(hù)，自動(dòng)選取頻譜池中的空閑信道接入。這樣，如果頻譜池中存在空閑信道，已接入的CR用戶(hù)就可以繼續(xù)占用信道，否則其業(yè)務(wù)就有可能被授權(quán)用戶(hù)強(qiáng)制中斷。由于授權(quán)用戶(hù)接入信道時(shí)考慮了CR用戶(hù)的存在，CR用戶(hù)業(yè)務(wù)被強(qiáng)制中斷的情況僅發(fā)生在頻譜資源不足、授權(quán)呼叫請(qǐng)求發(fā)生阻塞時(shí)。通過(guò)CR用戶(hù)與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)共享頻譜，可使頻譜資源的整體利用率得到提高。
仿真結(jié)果表明，相比于現(xiàn)有的授權(quán)用戶(hù)獨(dú)占信道的通信系統(tǒng)，CR用戶(hù)采用與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)接入的方式，可以使信道利用率η最大增加40%，且阻塞率Pb <10%，強(qiáng)制中斷率Pf 為0.1％左右。但CR用戶(hù)與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)接入的方式要求授權(quán)用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)做一些改動(dòng)，如增加控制信道功能等，因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。
2.2 透明接入控制
考慮更接近實(shí)際的一種情況：授權(quán)用戶(hù)接入頻譜時(shí)不考慮CR用戶(hù)是否存在，即CR用戶(hù)是否占用頻譜對(duì)授權(quán)用戶(hù)來(lái)說(shuō)完全透明。這種情況下CR用戶(hù)應(yīng)采用靈活的接入控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)授權(quán)用戶(hù)的透明接入，盡可能減少授權(quán)用戶(hù)的再次出現(xiàn)對(duì)CR用戶(hù)業(yè)務(wù)的影響。若授權(quán)用戶(hù)始終將其接入的頻譜視為空閑頻譜，而不考慮CR用戶(hù)是否正在占用該頻譜，那么相比于與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)接入方式，透明接入方式只要網(wǎng)絡(luò)中存在CR用戶(hù)，就有被授權(quán)用戶(hù)強(qiáng)制中斷的可能。在相同的仿真環(huán)境下，相比于與授權(quán)用戶(hù)協(xié)調(diào)的接入控制，透明接入的η和Pb 性能相差無(wú)幾，而Pf 則增加了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。較高的Pf 對(duì)CR業(yè)務(wù)特別是實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的影響較大，如何降低Pf 成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前研究主要有信道預(yù)留和預(yù)測(cè)這兩種方法。
(1)基于信道預(yù)留的透明接入
基于信道預(yù)留的透明接入是有效降低CR用戶(hù)Pf 的策略之一，可為授權(quán)用戶(hù)預(yù)留信道，也可為CR用戶(hù)預(yù)留信道。
對(duì)于為授權(quán)用戶(hù)預(yù)留信道方式，當(dāng)授權(quán)用戶(hù)接入時(shí)，先選擇空閑的預(yù)留信道接入，若預(yù)留信道全部占用，則接入非預(yù)留的信道，即若為授權(quán)用戶(hù)預(yù)留R 個(gè)信道，則CR用戶(hù)至多能夠接入M -R個(gè)。這種方式通過(guò)控制授權(quán)用戶(hù)優(yōu)先接入預(yù)留的空閑信道，減小了CR用戶(hù)被中斷的可能，但同時(shí)減小了CR用戶(hù)的可用信道數(shù)，使Pb 加大；對(duì)于為CR用戶(hù)預(yù)留信道方式，當(dāng)CR用戶(hù)正在占用的信道再次出現(xiàn)授權(quán)用戶(hù)時(shí)，CR用戶(hù)切換到為其預(yù)留的信道上。這種方式下無(wú)需對(duì)授權(quán)用戶(hù)進(jìn)行控制，使授權(quán)用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)不用作任何改變，但同樣會(huì)增加Pb 。
總之，基于信道預(yù)留的透明接入方式，其核心思想是預(yù)留一部分頻譜資源給授權(quán)用戶(hù)或CR用戶(hù)專(zhuān)用，以達(dá)到降低Pf 的目的，而實(shí)質(zhì)是以一定的Pb 性能的損失換取Pf 性能提高。通常通過(guò)尋求最優(yōu)的預(yù)留信道數(shù)取得Pb 與Pf 的折中。#p#
(2)基于預(yù)測(cè)的透明接入
采用預(yù)留信道的機(jī)制可一定程度上降低Pf ，但由于實(shí)質(zhì)上仍是CR用戶(hù)與授權(quán)用戶(hù)發(fā)生沖撞后被動(dòng)地退出信道，這樣無(wú)疑不僅會(huì)對(duì)授權(quán)用戶(hù)造成有害干擾，還會(huì)引起CR用戶(hù)頻繁的傳輸中斷。若采用上述為CR用戶(hù)預(yù)留信道方式用于切換還會(huì)不可避免帶來(lái)一些切換時(shí)延?；陬A(yù)測(cè)的透明接入方式則是通過(guò)預(yù)測(cè)信道的特性，如授權(quán)用戶(hù)的信道占用規(guī)律、頻譜空穴出現(xiàn)的位置及可能的空閑時(shí)長(zhǎng)等，主動(dòng)選擇滿(mǎn)足要求的最佳接入機(jī)會(huì)，降低可能與授權(quán)用戶(hù)沖撞的概率。預(yù)測(cè)的方法可以是基于歷史信息的簡(jiǎn)單估計(jì)也可以是一些相對(duì)復(fù)雜的人工智能算法。
依據(jù)信道隨授權(quán)用戶(hù)占用和空閑動(dòng)態(tài)變化的歷史信息，提出了一種啟發(fā)式預(yù)測(cè)接入算法，從可用時(shí)間上估計(jì)信道的可用性；提出了基于隱馬爾可夫模型(HMM)的信道預(yù)測(cè)算法，通過(guò)預(yù)測(cè)授權(quán)用戶(hù)的頻譜空閑/占用的概率，得到頻譜空穴出現(xiàn)的時(shí)隙及其空閑時(shí)長(zhǎng)，CR用戶(hù)基于頻譜空穴的可能性來(lái)決定占用哪個(gè)信道。這樣CR用戶(hù)就可以根據(jù)信道預(yù)測(cè)信息及時(shí)地主動(dòng)的退出下個(gè)時(shí)隙可能被授權(quán)用戶(hù)占用的信道，而不是檢測(cè)到授權(quán)用戶(hù)后被迫強(qiáng)制中斷，從而大大減少與授權(quán)用戶(hù)沖撞的次數(shù)。
3 MAC層動(dòng)態(tài)頻譜分配
由于空閑頻譜資源有限，CR用戶(hù)之間需要競(jìng)爭(zhēng)使用這些資源，且不同CR用戶(hù)的優(yōu)先級(jí)、QoS要求都不一樣，所以CR網(wǎng)絡(luò)需要在保證優(yōu)先級(jí)高的CR用戶(hù)先得到服務(wù)的同時(shí)也要保證頻譜資源不會(huì)被某些CR用戶(hù)獨(dú)占，即網(wǎng)絡(luò)需要公平而有效地管理空閑頻譜資源。因此，空閑頻譜分配的主要目的就是根據(jù)CR用戶(hù)的優(yōu)先級(jí)、QoS等要求，公平而有效地分配一定數(shù)量的頻譜資源，使得網(wǎng)絡(luò)性能得到改善或逼近于最優(yōu)狀態(tài)。
但受授權(quán)用戶(hù)使用頻譜的限制，CR可用頻譜的數(shù)量和位置隨時(shí)間在不斷變化，因此對(duì)于這些“不確定”的頻譜資源進(jìn)行優(yōu)化分配本質(zhì)上是一個(gè)受限的頻譜分配問(wèn)題。這里還需注意的一點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性要求是CR網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配技術(shù)區(qū)別于其他無(wú)線通信頻譜分配的最主要特點(diǎn)。這主要是由于授權(quán)用戶(hù)是否使用頻譜是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，實(shí)際的可用頻譜信息不斷變化，相應(yīng)的頻譜分配算法執(zhí)行時(shí)間應(yīng)盡量縮短。提高實(shí)時(shí)性體現(xiàn)于降低算法復(fù)雜度、減小信令開(kāi)銷(xiāo)等多個(gè)方面。
在頻譜分配算法中，若簡(jiǎn)化考慮CR用戶(hù)與授權(quán)用戶(hù)之間以及CR用戶(hù)之間的干擾結(jié)果為僅有兩種情況，即不干擾或干擾，分別記為0或1，稱(chēng)為二進(jìn)制干擾模型；若考慮實(shí)際中多個(gè)用戶(hù)會(huì)同時(shí)對(duì)某一授權(quán)用戶(hù)或CR用戶(hù)造成干擾，稱(chēng)為累積干擾模型。這時(shí)要求每個(gè)CR終端能夠測(cè)量得到不同頻段的本地干擾溫度。在二進(jìn)制干擾模型中，當(dāng)干擾結(jié)果為1時(shí)，CR用戶(hù)不能分配該頻段；在累積干擾模型中，當(dāng)多個(gè)CR用戶(hù)在某個(gè)頻段的累積干擾溫度超過(guò)了干擾溫度限時(shí)，CR用戶(hù)不能分配該頻段。針對(duì)這兩種干擾模型，分別有以下兩類(lèi)頻譜分配算法：#p#
(1)基于二進(jìn)制干擾模型的頻譜分配
現(xiàn)有的基于二進(jìn)制干擾模型的頻譜分配算法大都是基于圖著色理論，可根據(jù)CR用戶(hù)之間是否合作分為合作頻譜分配算法和非合作頻譜分配算法。
合作頻譜分配算法通過(guò)多個(gè)CR用戶(hù)之間相互交換分配信息、協(xié)商頻譜分配，具有很好的優(yōu)化性能。選取信道利用率最大和公平性最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，分別提出了分布式貪婪算法(DGA)和分布式公平算法(DFA)。為降低算法的復(fù)雜度，同時(shí)提出了一種隨機(jī)分布式算法(RDA)，并指出復(fù)雜度較低的算法更適合于CR網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于DGA、DFA和RDA等算法完成的時(shí)間隨著信道數(shù)的增多而增加，為縮短算法執(zhí)行時(shí)間，提出一種并行分配算法，把復(fù)合圖分解為多個(gè)簡(jiǎn)單子圖，更適用于大規(guī)模系統(tǒng)的頻譜分配。上述算法都是基于固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募僭O(shè)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇勺兊那闆r，提出了一種Bargaining算法，通過(guò)將受拓?fù)渥兓绊懙腃R用戶(hù)自組織成Bargaining群，僅對(duì)Bargaining群進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，相比于DGA算法通信開(kāi)銷(xiāo)降低了50%以上，但信道利用率性能稍差一些，且還存在一定的群內(nèi)合作通信開(kāi)銷(xiāo)。
上述基于合作的算法為了共享相鄰用戶(hù)頻繁交換的協(xié)作信息，需要公共的協(xié)調(diào)協(xié)議和控制信道，必然會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和額外開(kāi)銷(xiāo)。這對(duì)于能量受限的通信系統(tǒng)，如Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等并不適用。針對(duì)以上問(wèn)題，Zheng等人提出了基于規(guī)則的算法。其基本思路是用戶(hù)通過(guò)觀察本地干擾碼型，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的適用于不同場(chǎng)景的規(guī)則獨(dú)立決策選擇信道，從而使系統(tǒng)的性能、復(fù)雜度和通信成本取得折中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)于合作算法，這種基于規(guī)則的非合作算法可在提供相同通信性能的前提下將通信開(kāi)銷(xiāo)降低3~4倍。
(2)基于累積干擾的頻譜分配
現(xiàn)有的基于累積干擾模型的頻譜分配算法大都基于博弈理論。按CR用戶(hù)對(duì)頻譜的占用方式不同可以分為兩類(lèi)，即共用式頻譜分配算法和獨(dú)占式頻譜分配算法。
共用式頻譜分配是指多個(gè)CR用戶(hù)之間以干擾避免或時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)分配頻譜資源。由于多個(gè)CR用戶(hù)共同占用同一段頻譜，不可避免要產(chǎn)生同頻干擾。如何減小同頻干擾，最大化CR用戶(hù)的收益是面臨的主要問(wèn)題。
針對(duì)不同的頻譜共享應(yīng)用場(chǎng)景，現(xiàn)有的研究分別提出了不同的模型和算法。若授權(quán)用戶(hù)只有少量的頻譜資源可提供給CR用戶(hù)機(jī)會(huì)占用，多個(gè)CR用戶(hù)為了獲得有限的頻譜資源會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，這種場(chǎng)景可以抽象為經(jīng)濟(jì)學(xué)中分析供不應(yīng)求的寡頭壟斷市場(chǎng)的古諾博弈模型；若不需考慮CR用戶(hù)對(duì)授權(quán)用戶(hù)的干擾影響，只考慮CR用戶(hù)之間的干擾，提出基于勢(shì)力場(chǎng)博弈模型的干擾效用函數(shù)。勢(shì)力場(chǎng)博弈適用于效用函數(shù)中考慮用戶(hù)間合作決策的情形，其收斂速度快，但當(dāng)效用函數(shù)只考慮自身因素時(shí)勢(shì)力場(chǎng)博弈將不再適用。
針對(duì)這種情形可以利用非遺憾學(xué)習(xí)算法來(lái)解決，仿真結(jié)果表明非遺憾學(xué)習(xí)算法收斂于混合策略納什均衡。從避免CR之間競(jìng)爭(zhēng)頻譜產(chǎn)生沖撞的角度提出一種以最大化CR用戶(hù)在所有信道上的總傳輸速率為目標(biāo)的效用函數(shù)，多個(gè)CR用戶(hù)通過(guò)在可用信道上調(diào)整傳輸概率來(lái)避免沖撞，從而提高總的傳輸速率。為得到相關(guān)均衡解，文獻(xiàn)[17]同時(shí)提出了一種非遺憾學(xué)習(xí)算法來(lái)保證收斂，并證明了這種算法以概率1收斂于相關(guān)均衡。
仿真結(jié)果表明，應(yīng)用相關(guān)均衡可以比應(yīng)用納什均衡得到5%~15%的頻譜利用率提升。
獨(dú)占式頻譜分配中由于各個(gè)用戶(hù)獨(dú)占頻譜，用戶(hù)間無(wú)需考慮同頻干擾，這時(shí)CR用戶(hù)間的競(jìng)爭(zhēng)單純表現(xiàn)在頻譜的爭(zhēng)用上。設(shè)系統(tǒng)中存在多個(gè)出租頻譜的授權(quán)用戶(hù)和多個(gè)租賃頻譜的CR用戶(hù)，授權(quán)用戶(hù)通過(guò)拍賣(mài)來(lái)出租未使用的頻譜，CR用戶(hù)則通過(guò)競(jìng)價(jià)來(lái)獲得頻譜，這種關(guān)系可應(yīng)用博弈論中的雙向拍賣(mài)理論進(jìn)行建模。由于存在多個(gè)授權(quán)用戶(hù)和多個(gè)CR用戶(hù)，則不但CR之間存在競(jìng)爭(zhēng)，授權(quán)用戶(hù)之間也存在競(jìng)爭(zhēng)。雙向拍賣(mài)模型中，由于用戶(hù)需要根據(jù)其他用戶(hù)的報(bào)價(jià)來(lái)選擇自己的報(bào)價(jià)，用戶(hù)之間的信息交互頻繁，而在實(shí)際的系統(tǒng)中由于頻譜狀態(tài)的時(shí)變性和用戶(hù)的自私性，很難在雙向拍賣(mài)中實(shí)現(xiàn)雙邊議價(jià)。為了解決上述問(wèn)題，對(duì)雙向拍賣(mài)模型進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)無(wú)中心控制、存在自私用戶(hù)的場(chǎng)景，在雙向拍賣(mài)模型的基礎(chǔ)上提出了一種基于信任率的動(dòng)態(tài)議價(jià)方案，通過(guò)博弈的歷史信息建立預(yù)測(cè)其他用戶(hù)策略的信任率，從而指導(dǎo)用戶(hù)決策，在非完全信息的情況下達(dá)到高效議價(jià)目的?；谛湃温实膭?dòng)態(tài)議價(jià)方案也可以利用雙向拍賣(mài)模型中的擴(kuò)散減小準(zhǔn)則，進(jìn)一步加快算法的收斂。#p#
4 MAC層安全機(jī)制
由于CR技術(shù)的引入，CR網(wǎng)絡(luò)除同樣面臨傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的很多安全問(wèn)題外，還面臨一些新的安全隱患。如在MAC層，由于存在頻譜檢測(cè)的同步、缺乏公共控制信道等固有的問(wèn)題，其安全問(wèn)題也不可忽略。CR網(wǎng)絡(luò)MAC層可實(shí)施的4種新的攻擊手段分別為：
(1)偏袒效用攻擊：自私的CR用戶(hù)可以通過(guò)修改MAC層頻譜分配效用函數(shù)的參數(shù)來(lái)增加自己所獲得的帶寬，如果其他CR用戶(hù)或者基站無(wú)法檢測(cè)到這種異常行為，將會(huì)導(dǎo)致其他CR用戶(hù)的可用頻譜資源的減少。
(2)異步感知攻擊：在其他CR用戶(hù)進(jìn)行同步靜默期檢測(cè)的時(shí)候，惡意CR用戶(hù)選擇異步發(fā)送信號(hào)，從而使得基站或其他CR用戶(hù)誤以為檢測(cè)到的是授權(quán)用戶(hù)發(fā)送的信號(hào)，導(dǎo)致頻譜機(jī)會(huì)的丟失。
(3)虛假反饋攻擊：惡意用戶(hù)通過(guò)反饋虛假的頻譜檢測(cè)或分配信息來(lái)破壞頻譜分配的公平性或引發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤行為，這種攻擊行為就是虛假反饋攻擊，在集中式和分布式的CR網(wǎng)絡(luò)中都可以實(shí)施。
在集中式的CR網(wǎng)絡(luò)中，虛假反饋攻擊通常發(fā)生在惡意節(jié)點(diǎn)通過(guò)向基站回報(bào)虛假的頻譜感知信息的場(chǎng)景下，但由于基站是通過(guò)信息融合來(lái)進(jìn)行判決，要實(shí)施這種攻擊，需要大量的惡意節(jié)點(diǎn)匯報(bào)相同的虛假信息，其效率是比較低的。
在分布式的CR網(wǎng)絡(luò)中，CR用戶(hù)通過(guò)交互信息來(lái)進(jìn)行協(xié)作信道分配，若一個(gè)或一組惡意用戶(hù)對(duì)于授權(quán)用戶(hù)頻譜占用情況或可用信道情況傳送虛假反饋信息，將會(huì)導(dǎo)致其他CR用戶(hù)做出干擾授權(quán)用戶(hù)或丟失頻譜接入機(jī)會(huì)的決定。
(4)飽和控制信道攻擊：在CR網(wǎng)絡(luò)中，公共控制信道既是網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸，也是安全的關(guān)鍵點(diǎn)。公共控制信道之所以成為網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸，是由于業(yè)務(wù)流量的增大會(huì)引起頻繁的控制信息交互，從而可能造成控制信道飽和，另外控制信息數(shù)據(jù)包的碰撞會(huì)降低控制機(jī)制的有效性，同時(shí)影響信道協(xié)商分配過(guò)程，這兩種情況都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降。而成為安全的關(guān)鍵點(diǎn)，是因?yàn)楣粽呖梢酝ㄟ^(guò)發(fā)送大量偽造的MAC控制信息來(lái)造成飽和控制信道攻擊，這樣合法的CR用戶(hù)就無(wú)法利用控制信道來(lái)協(xié)商數(shù)據(jù)信道的分配了，從而造成CR網(wǎng)絡(luò)不可用。
以上MAC層的攻擊行為主要通過(guò)對(duì)MAC幀的修改和偽造來(lái)實(shí)施。對(duì)于集中式網(wǎng)絡(luò)，可增加對(duì)MAC幀的認(rèn)證機(jī)制。如IEEE 802.22 WRAN網(wǎng)絡(luò)中，BS/CPE協(xié)議參考模型建立了4個(gè)專(zhuān)用的模塊化安全子層，用來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)、認(rèn)證頻譜感知和定位信息、認(rèn)證頻譜管理實(shí)體的配置信息。
然而在分布式CR網(wǎng)絡(luò)中，由于缺乏可信的實(shí)體作為服務(wù)器控制密鑰分發(fā)來(lái)進(jìn)行加密認(rèn)證和完整性保護(hù)，應(yīng)用安全子層非常困難。因此，采用相鄰節(jié)點(diǎn)監(jiān)視機(jī)制應(yīng)該更適合于分布式CR網(wǎng)絡(luò)。
5 MAC層的跨層設(shè)計(jì)
上述MAC 層各關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)通常受限于傳統(tǒng)的分層協(xié)議模型。為適應(yīng)CR網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)無(wú)線環(huán)境的特性，如何結(jié)合物理層和上層信息，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的MAC層技術(shù)，成為目前的研究熱點(diǎn)之一。
在MAC層與物理層跨層設(shè)計(jì)方面，提出了基于檢測(cè)貢獻(xiàn)加權(quán)的比例公平性頻譜分配算法，將MAC層的頻譜分配和物理層的頻譜檢測(cè)聯(lián)合設(shè)計(jì)，為在頻譜檢測(cè)中作貢獻(xiàn)大的CR用戶(hù)分配更多的頻譜，最大化系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)體現(xiàn)分配的公平性。
提出了帶寬功率控制博弈(BPCG)算法，將MAC層的頻譜分配和物理層的功率控制聯(lián)合設(shè)計(jì)，在降低用戶(hù)之間干擾的同時(shí)，通過(guò)對(duì)頻譜的有效分配，充分利用頻譜資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高。
在MAC 層與網(wǎng)絡(luò)層路由選擇跨層設(shè)計(jì)方面，研究表明，MAC 層頻譜分配和網(wǎng)絡(luò)層路由的聯(lián)合設(shè)計(jì)能顯著的提高連接的穩(wěn)定性和端到端的吞吐量，其基本思想是將路由選擇和頻譜分配兩項(xiàng)任務(wù)合并到網(wǎng)絡(luò)層執(zhí)行，由網(wǎng)絡(luò)層選擇路由并調(diào)度路由上無(wú)沖突信道的使用?；谶@一思想，提出一種合作式路由選擇和頻譜分配的跨層解決方案。MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的合作通過(guò)分級(jí)路由和信道選擇過(guò)程實(shí)現(xiàn)，在選擇路由的同時(shí)，調(diào)度每段路由上無(wú)沖突信道的使用，使得路由的穩(wěn)定性和端到端吞吐量得到提高。
在MAC 層與傳輸層跨層設(shè)計(jì)方面，MAC層的頻譜分配和傳輸層TCP協(xié)議進(jìn)行聯(lián)合跨層設(shè)計(jì)，可避免頻譜的動(dòng)態(tài)變化對(duì)TCP協(xié)議超時(shí)重傳機(jī)制帶來(lái)的不利影響。
可能的解決方案是：TCP協(xié)議根據(jù)MAC層的頻譜分配情況獲取CR用戶(hù)當(dāng)前工作的頻段，并計(jì)算出該頻段對(duì)應(yīng)的傳輸往返時(shí)間(RTT)，結(jié)合RTT設(shè)置恢復(fù)時(shí)間目標(biāo)(RTO)參數(shù)。同時(shí)，當(dāng)MAC層的頻譜分配發(fā)生改變時(shí)，TCP協(xié)議結(jié)合CR用戶(hù)工作頻段的變化情況重新計(jì)算出當(dāng)前工作頻段對(duì)應(yīng)的RTT，從而根據(jù)變化的RTT自適應(yīng)地調(diào)整RTO參數(shù)，使協(xié)議性能得到優(yōu)化。
6 結(jié)束語(yǔ)
CR網(wǎng)絡(luò)是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn), 而其中MAC層關(guān)鍵技術(shù)的研究則更是人們關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)前MAC層頻譜檢測(cè)管理、接入控制、動(dòng)態(tài)頻譜分配、安全機(jī)制及跨層設(shè)計(jì)等問(wèn)題還處于理論研究的階段。相信通過(guò)研究人員的不懈努力，CR網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步走向?qū)嵱谩?/p>
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