合作全双工异步物理和MAC层设计认知网络

文摘

在异步认知网络(中枢神经系统),之间没有同步主要用户(脓)和二级用户(SUs)光谱遥感成为一个具有挑战性的任务。结合合作频谱感知和全双工(FD)中枢神经系统在异步通信,本文演示了改进的平均吞吐量脓和SUs特定传输方案。SUs的平均吞吐量是派生和脓在不同FD计划,剩余自干扰的水平,和合作SUs的数量。特别是,我们考虑两种类型的FD计划,即FD transmit-sense-reception(罗斯福)和FD transmit-sense (FDs)。罗斯福允许SUs同时发送和接收数据,然而,在FDs, SUs不断感觉通道传输时间。本文展示了各自的优缺点,得出最优方案基于合作FD频谱感知。此外,SUs的平均吞吐量是主要分析在不同信道利用率和多路传感方案。最后,新的FD MAC协议设计提出了FD合作频谱感知和分析。我们发现最优参数提出MAC协议在某些应用程序中获得更高的平均吞吐量。

1。介绍

认知网络(中枢神经系统),可以显著提高频谱效率使用动态频谱接入(DSA)技术,是一种很有前途的解决频谱稀缺问题[1- - - - - -3]。中枢神经系统允许认知设备或二级用户(SUs)使用许可或主用户的频谱(脓)以投机取巧的方式,同时保证两个系统的质量。

在这个领域的大部分研究工作在同步的条件下,研究了这些问题脓和SUs开槽和同步的时间。然而,在现实的场景中,SUs没有脓的信息信号,从而导致在异步模式下操作。江等人研究了异步中枢神经系统的一些关键问题(4]。

提出了异步协作频谱感知在[5,6]显示改善SUs的平均吞吐量。带内全双工(FD)沟通7)也是一种很有前途的技术,能提高中枢神经系统的性能。提出了FD光谱传感(8)它允许SUs感知和传输数据在同一时间。

shared-spectrum全双工网络,通常transmit-sense FD收发器操作的模式,也就是说,传输和同时在同一频带(9,10]。在这种模式下接收任何数据在数据传输期间,在与标准认知的全双工场景。已经表明,在transmit-sense运营模式可以显著降低主网络的中断概率,相比传统listen-before-talk方案(即。认知情况相比,半双工传输传感周期短)[后执行11]。

全双工网络在中枢神经系统的另一种方法是把传感和数据传输和接收12,13]。利用全双工通信收发器的功能,数据传输与数据接收同时发生在这个计划,因为它符合标准的全双工网络。然而,允许频谱共享与主网络,接待过程分为时间以便传感和数据接收可以发生在不同的时段,同时数据传输在整个时间段,也就是说,在接待使用时分双工(TDD)。

transmit-sense模式方法的优点是它允许连续感应,反过来,提高检测概率的返回主用户。这个改善检测的可能性也更高级的学习算法的结果,可以实现连续的感应。这是与数据transmit-sense-reception模式相比,感应发生在很短的时间;即,数据接收和遥感计划根据time-division-duplex方案。断断续续的传感在这种模式下不允许就业先进和可靠的学习算法,这意味着错过了探测概率更高,相比transmit-sense模式。另一方面,操作在transmit-sense-reception模式提高了二级用户的吞吐量为代价的主要网络的性能恶化。

作者在12,13]介绍了自适应全双工transmit-sense (FDs)和全双工transmit-receive-sense(罗斯福)来提高频谱共享机制的性能。这两个作品使用能源传感、waveform-based传感、分别。然而,这些作品都没有考虑合作频谱感知,以进一步提高频谱感知的准确性。另一方面,对主要的影响可以通过部署合作来减轻传感网络。二级用户感知授权渠道之间的合作可以提高检测的质量活动授权频谱的主要用户。通过结合合作传感和全双工通信特性,全双工合作频谱感知机制分析改善SUs的平均吞吐量,同时保证脓的质量和吞吐量。这个解决方案提出了在14]只有time-slotted脓和[15为合作确认)。最近工作(16]分析了SUs的表现在non-time-slotted情况下,不考虑对脓施加的影响。

动机由上面的观察,本文的贡献可以概括如下。中学和初级用户的吞吐量派生在罗斯福和FDs计划剩余自干扰的功能(SI)和协作频谱感知用户的数量。此外,结果延长不同主要通道的利用率。与我们之前的工作(17],在这篇文章中,我们介绍了全双工合作基于多通道罗斯福和FDs传感方案,也发现罗斯福所需的最小数量的二级用户合作方案,这样可以达到的吞吐量的主要用户是非常接近,在FDs方案。在文献中,全双工合作多通道场景也被认为是(8,18,19]。然而,这些作品假定SUs执行标准p-persistent载波监听多路访问(CSMA)争用解决机制选择的通道。这样分配机制可以有效地避免数据崩溃,提高网络的频谱效率。另一方面,通过比较合作的多通道分配机制将被认为是在这篇文章中,分布式版本必须限制在一个“小”网络。基于合作SUs设计,在本文中,我们还提出一个MAC层协议的设计和分析的平均吞吐量SUs和脓时利用空白电视作为主要渠道。结果表明,通过增加感觉通道的数目,提出了FD的平均吞吐量计划并不总是得到改善,特别是对罗斯福的计划。这是因为传感的持续时间被认为是nontransmitting时间,减少数据传输的时间。

本文的其余部分组织如下。并给出了系统模型和吞吐量分析部分2。频谱感知和自干扰效应进行了分析3。制定二级和初级合作全双工的平均吞吐量传感部分场景4和5,分别。平均吞吐量的分析优化和部分提供了相应的数值结果6。提出了一种新的MAC协议设计和评估7。最后,结论部分8。

2。系统模型

正如在抽象和介绍部分所讨论的,异步认知网络定义,只有中小学网络并不同步,但在二级网络,二级用户将认为是同步的。此外,初级用户在这种情况下可能是也可能不是同步的。此外,我们还假定SUs总是有“接收”包9,20.],这种假设是有意义如果SUs的数量直接关系到MAC协议设计的交通需求。

2.1。主要用户

一双脓被认为是在半双工(HD)模式进行通信光谱的乐队,乐队不重叠和相同的频谱利用率 。脓的通道被建模为一个开关过程(21),如图所示1。通道是在状态时被脓。另一方面,关闭状态意味着一个可用的频谱,可以被SUs利用。在国家的长度()和关闭状态()遵循平均水平的指数分布和 ,分别。在这种情况下,主信道的利用率可以计算为

2.2。二级用户

我们认为有SUs合作在传感脓的谱带。在这些SUs合作,有一个协调器节点,决定是否可用于SUs的主要通道。协调器节点将收集感知信息SUs[合作5),用它来“软决定”(22]。如果在SUs的传播,协调器节点实现聚氨酯的返回通道,它会立即通知活跃SUs停止在主机会传播乐队。频谱分配的协调不是研究,和频谱分配方案将被认为是独立于异步频谱感知过程。

如图2,我们考虑两个全双工的传感机制SUs伺机使用可用的主要用户的渠道。此外,我们还包括半双工(HD)机制进行比较。具体来说,高清的通信传感过程中,苏氏框架分为两个区间,即传感()和传输(),采样率 。能源为基础的遥感应用传感SUs的过程。 被定义为传感。在第二个方案,SUs使用全双工通信,传输和接收数据在同一帧时间 。这个方案被称为全双工transmit-receive-sense(罗斯福),它允许SUs接收数据在数据传输的过程。第三个方案是全双工transmit-sense (FDs), SUs意义的主要通道数据传输期间不断。

2.3。平均吞吐量

我们假设每个SU可以感知(≤)渠道秒,每个通道是感觉到的秒。在这种情况下,我们有 此外,被定义为感觉空闲频道的平均数SUs,可以派生(6] 在哪里的概率是空闲频道可以感觉到SUs,通过考虑(1),我们有6]

因此,苏的平均吞吐量合理的渠道可以表示为 在哪里是苏的平均吞吐量/通道为一个特定的传感方案,例如,高清,富兰克林·德兰诺·罗斯福或FDs。另一方面,PU的平均吞吐量(例如,)与多个通道会有相同的行为与单通道的情况(例如,)因为所有通道是独立分布的。从下面的部分中,我们将从数学上推导出每通道平均吞吐量苏和聚氨酯。

3所示。频谱感知和自我干扰效果

被评估的两个基本措施光谱遥感探测概率()和虚警概率()。SUs可以检测的概率是一个繁忙的通道当脓使用通道。SUs错误检测的概率是一个繁忙的通道而实际上没有聚氨酯活动。

剩余自干扰(SI)在全双工通信的概率影响探测概率和假警报在感知主用户的活动。能量检测技术被广泛部署检测主用户的频谱共享的活动。在全双工感应,同时数据传输和频谱感知在同一频段,剩余的能量,由于不完美的如果取消,可能被误认为是主用户的信号。反过来,这将增加假警报概率和减少二次用户的吞吐量。Waveform-based传感是一个另类的传感方法,在全双工场景中可以缓解这个问题。在这种方法中感应的主要信号进行关联收到样品与已知的模式样本。

另一种替代能源检测是检测周期平稳特性,基于傅里叶谱的估计循环密度和只能从主要用户检测弱信号利用推导通信信号的属性。然而,这种方法是相当复杂的实现。一种不同的方法在检测主用户的信号是基于跟踪的主要用户利用智能天线,避免空间干扰信号通过传输波束形成。合作遥感可以提高检测的概率主要信号,在更高的成本计算和网络复杂性。使用全双工无线电传输和接收数据可以同时实现进一步提高在二级用户的吞吐量。摘要合作energy-detection-based传感被认为是在分析。

假设和对应的情况下的主要通道是关闭状态,状态,分别。下和条件下,苏氏时即时收到信号(),分别由 在哪里指的是th样本和下标表示苏。的自干扰th苏和接收到的信号通过PU和在苏。假定为圆对称的背景噪声复杂的高斯用 。的均值为零,方差是吗 。

主要通道的整体能源统计收到苏协调员()是由(5] 此外,和是由(8] 在哪里能量检测阈值,是主感应期间样品的数量,是样品的数量在主前关闭状态回归一个活跃的()状态,然后呢是样本的数量在主要是在国家变得不活跃。是在接收机信噪比由于发射机的信号传输 。 , ,在那里和 ,分别指一个初级和中级用户。( )代表自干扰缓解系数(8,23]。如果高,这意味着自干扰减轻。另一方面,较低的值在接收机高意味着自我干扰。是补充标准高斯分布函数,它被定义为

考虑多通道感知场景,在脓可能会改变它们的状态(即苏氏感应期间,打开或关闭)。在这种情况下,有四种可能的情况下,当我们计算和为了获得平均吞吐量。

案例1。聚氨酯SUs的感应期间并不活跃。在这种情况下,用于苏氏实现吞吐量计算可以表示为 这个方程派生通过设置在哪里 和 。

例2。聚氨酯SUs的感应期间总是活跃。在这种情况下,用于聚氨酯的实现吞吐量计算可以表示为 ,在这里,我们建立了吗 和 。

例3。直到PU首先是活跃th样本,然后不活跃。在这种情况下, ,用于计算PU的可实现的吞吐量,源于(11)。计算SUs的吞吐量,除了在(10),他们仍然需要采取以下考虑到,这是由 在哪里 和代表了小于的最大整数 。

例4。聚氨酯是第一才活跃th样本,然后积极的休息。在这种情况下,这是用来计算SUs的平均吞吐量源于(10)。聚氨酯的平均吞吐量计算,除了在(11),他们也需要采取以下考虑到,这是由 在哪里 。

4所示。二级用户的平均吞吐量分析

4.1。SUs的可实现的数据速率

在关闭状态,最大可实现的数据率(为SUs)背景噪音和残余硅的影响

如果协调器错误检测到没有主要的活动状态,可实现数据率(SUs)是

在这篇文章中,多用户干扰的影响被认为是有效控制和取消,通过物理层和MAC层技术,例如,通过自适应波束形成(24),自适应率/功率控制和调度机制(25,26]。

4.2。SUs在半双工模式下的平均吞吐量

为了比较我们提出基于全双工的感应协议现有的协议,在本节中,我们首先介绍了SUs的平均吞吐量在传统半双工模式。如图3(一个)有四个不同的州,应考虑制定SUs的平均吞吐量(半双工(高清))。在[派生5),假设SUs之间的异步性和脓,可以表示为 在哪里 被定义为的概率事件吗发生在高清方案,认为开/关分布后,他们可以表示为 此外,是数据率事件高清方案,可以发现在5]。

4.3。在全双工Transmit-Sense-Reception模式下SUs的平均吞吐量

类似的方法后,在高清方案相同的四种不同的情况下,罗斯福的平均吞吐量计划()可以获得 在哪里 ,被定义为事件的概率发生在罗斯福方案,是实现吞吐量事件为罗斯福计划。在这种情况下,如图3 (b),我们有

理想的单通道的点对点通信,实现吞吐量在罗斯福的两倍,在高清方案。然而,由于硅效应(当 ) , ,和 ,完美的实现吞吐量将低于如果取消案例( )。可以计算为 在哪里 和 。

4.4。在全双工Transmit-Sense模式下SUs的平均吞吐量

与HD和罗斯福方案相比,在FDs,传输时间在一个框架不是常数。SUs不断感觉通道,可以立即启动或停止传输基于遥感的结果。因此,只有两种状态研究了平均吞吐量计算,如图4。事件的概率和被定义为的概率在断断续续地状态,分别和他们可以表示成吗

平均数据速率和可以通过计算

因此,SUs的平均吞吐量(FDs方案

5。主要用户的平均吞吐量分析

5.1。脓的可实现的数据速率

脓的可实现的数据率不受干扰(从苏)

脓的可实现的数据速率与干扰(从苏由于miss-detection可以计算的

5.2。脓的平均吞吐量在二级半双工或全双工Transmit-Sense-Reception模式

脓的平均吞吐量可以通过建模计算状态事件time-slotted帧的大小 ,如图5。平均槽数()被定义为满足率的主要用户()传感时期()。此外,事件,SUs传输期间在国家可以建模为二项分布的发生概率 。被定义为的概率SUs在传输的帧聚氨酯的SUs使用高清或罗斯福方案,可以表示为 在哪里 和是圆形的最近的整数运算符。平均数据速率()当SUs在传输的帧聚氨酯可以计算的

最后,高清脓的平均吞吐量()和罗斯福()的情况下,可以制定

5.3。聚氨酯的平均吞吐量当二级用户处于全双工Transmit-Sense模式

在相同的方式5.2时,脓的平均吞吐量SUs用FDs方案可以计算如图6。而不是除以 , 除以估计插槽的数量, 。 被定义为的概率SUs在传输的帧聚氨酯的SUs使用FDs方案时,可以表示为 在哪里

平均数据速率()当苏在传输的帧聚氨酯可以计算的

聚氨酯的平均吞吐量当SUs用FDs计划()可以计算

6。分析物理层方法和数值结果

在此基础上推导出平均吞吐量为中学和初级用户每通道,多通道的平均吞吐量普遍情况下可以通过插入制定(14),(19)和(25)(5为二级用户),分别。作为讨论的部分2主要用户,多通道的平均吞吐量情况下等于单通道的情况下,由(31日)和(35)。然后,目标最大化的优化问题可以表示为二级用户平均吞吐量 在哪里(≤)是活跃的二级用户数量,主用户的最低比率约束,信噪比上限吗 链接。为了获得问题的最优解(36),我们可以实现目标函数的一阶推导与尊重 , ,或然后设置导出方程为零如果有独特的根。另外,数值结果可以帮助实现找到最优解。下面提供了数值结果对于初级和二级用户,和参数用于计算结果如表所示1与那些在(5公平的比较)。

6.1。二级用户的平均吞吐量

在图7,提出了SUs的平均吞吐量与合作次数的SUs (针对不同的方案和)值。这表明罗斯福计划达到更高的平均吞吐量SUs FDs和高清。这是由于传输时间(时间越长在罗斯福相比其他方案。

苏的平均吞吐量不同方案的单调与合作SUs的数量增加, 。正如所料,这表明合作遥感提供了更好的性能比非合作的情况下( )。这个数字还演示了的效果SUs的罗斯福和FDs方案的平均吞吐量,并指出在高清方案如果是零( )。通过减少 ,平均吞吐量FDs和罗斯福略有恶化。

6.2。主要用户的平均吞吐量

图8显示了聚氨酯的平均吞吐量和SUs的数量(针对不同的方案和)值。虽然为SUs的平均吞吐量,罗斯福优于FDs和高清,脓的平均吞吐量罗斯福给了更糟糕的性能,特别是对于低 。事实上,它显示了一个平均吞吐量SUs和脓之间的权衡。FDs给类似的平均吞吐量性能甚至没有SUs活跃情况下合作SUs的数量等于1。这是因为二级用户将连续感应,与合作在本例中为主要用户没有提供太多的性能改进。此外,它可以减少传输时间的苏在国家。因此,脓可以传输没有SUs大部分时间在国家。

根据这个图,PU平均吞吐量的增加特别是当SUs雇用罗斯福或高清方案。这表明使用合作传感优于非合作的传感PU和苏的观点。曲线图还表明,扮演着一个重要的角色在聚氨酯的性能。在罗斯福的情况下,显著提高聚氨酯的平均吞吐量达到更高的值 。原因是较高的将增加 ,这是反过来的平均吞吐量脓密切相关。当增加,脓的平均吞吐量将增加。从图可以看到,为高清例脓的平均吞吐量为罗斯福时是一样的等于1。

6.3。多通道遥感结果

在图9,SUs的平均吞吐量在多通道感知情况下提出与合作SUs的数量(),不同的方案, , , 女士, 。这里显示的是越来越多的频道, ,感觉到被SUs将增加的平均吞吐量。这是由于增加的事实将增加感应时间吗 ,这样SUs检测空闲信道的概率也增加了。此外,根据这个图,罗斯福仍然优于HD和FDs计划的多通道感知情况。当增加,平均吞吐量也将增加。通过增加 ,假警报概率将减少,而感觉到空闲频道的数量将会增加。这是符合我们之前的结果(图7)。值得注意的是,对于多通道感知情况,感知时间随着数量的增加反应增加。在这种情况下,固定 ,检测概率将会增加,在(33)将减少,因此,主用户的平均吞吐量将受到影响。

7所示。提出了MAC协议设计

7.1。部署架构

MAC的设计是基于有限的基础设施支持认知车载网络架构(27]。路边单元(RSU),定义在标准IEEE 802.11便士,放置在路上。这些合作中扮演协调人的角色节点认知无线电网络,照顾光谱选择和访问。另一方面,车辆节点作为辅助用户(SUs)。图10说明我们提出了MAC的网络体系结构。

7.2。提出了MAC框架

我们MAC框架开发的基于开槽时间MAC结构见图11。有一个控制通道(CCC)主授权通道内时间持续时间。此外,提出的MAC协议分为四个阶段。

第一个阶段是感应阶段(SP)。每个SU数据包发送的感官从渠道授权渠道在这个阶段。能量检测技术是用来检测聚氨酯的活动。此外,SUs听CCC的广播信息。

第二阶段报告和竞争阶段(RCP)。在这个阶段,苏通知协调员对检测结果及其意图使用授权渠道。气候变化委员会框架分为minislots。每个SU选择一个minislot根据接收到的广播信息在SP阶段。

第三个阶段是广播阶段(BP)。收到检测结果信息,协调执行频谱决策、访问和管理。频谱决策是由选择空闲频道基于整体能源统计计算(5]。此外,确定可用的授权渠道之间的分配SUs。如果 ,只有第一SUs每个用户可以使用一个频道。其余的SUs将在下一个时间段分配。如果 ,然后每个SU可能有资格获得频道。四舍五入到最近的整数运算符。SUs的关系管理协调员删除不活跃的SUs并添加新的SUs的名单上SUs。此外,广播也用于承认新SUs的到来。

广播消息包含以下信息:(1)的当前SUs合作网络(新苏):这些信息需要加入合作网络。新苏选择一个随机minislot数量 来 。(2)可用授权渠道具体SUs:传输模式中,罗斯福或FDs,根据图11是决定由协调员根据吗值。被定义为一个阈值,允许每个SU使用罗斯福模式基于聚氨酯的性能保证。协调器选择FDs默认传输方式。然而,如果 和苏协调员和数据包发送,然后可以选择罗斯福。(3)合作网络中的所有SUs的同步信息。

最后一个阶段是数据传输阶段(DTP)。如果一个苏使用罗斯福模式,那么可以传输数据,并确认在上行和下行的方向。苏FDs模式允许发送数据上行或下行方向和在同一时间。在DTP阶段,如果苏检测到主用户活动,它将停止发送当前数据或确认。

7.3。提出了MAC协议平均吞吐量

在本节中,提出了MAC评估使用平均吞吐量作为性能指标。

7.3.1。使用全双工Transmit-Sense-Reception模式提出了MAC的平均吞吐量

平均吞吐量可以使用相同的方法在计算部分4所示。3。然而,拟议的MAC的平均吞吐量计算需要的准备时间(),由感应时间(),报告时间(),广播时间()。图12显示了框架结构的MAC。 提出了MAC的平均吞吐量()可以计算 在哪里

拟议的MAC的吞吐量可以实现的吗罗斯福的事件计划。

7.3.2。建议使用全双工Transmit-Sense模式MAC的平均吞吐量

在FDs方案中,只包含报告()和广播时间(),因为感应时间()与传输时间()。

节相同的方法4所示。4的平均吞吐量提出MAC可以计算 在哪里是我们提出的实现吞吐量MAC事件FDs方案

7.4。提出了MAC协议数值结果和分析

表1和2总结我们的参数评估拟议的MAC协议。为了执行一个评估(即基于现实的场景。,利用空白电视频道),主频道的数量()建立了基于系统B电视频道在西欧和其他国家在非洲,亚洲和太平洋(28]。它假定合作网络饱和当合作用户的数量()= minislot的最大数量()。

图13演示的平均吞吐量提出了不同数量的MAC渠道感觉到苏()和不同数量的minislots ()。它显示了罗斯福方案FDs计划相比有更高的平均吞吐量。在这两个方案,增加提高平均吞吐量的最优值 。它恶化略在达到最佳值。在这里,可以与合作用户的数量已经激活。具体地说,通过改善SUs的数量(增加吞吐量),执行合作频谱感知。此外,合作频谱感知提高了平均吞吐量。同时,minislots消耗分配时间在一个框架,它不能用于数据传输。因此,增加缩短一帧的传输时间。一般来说,当吞吐量获得合作频谱感知无法弥补minislot吞吐量损失分配在一个框架,它减少了平均吞吐量。

感觉通道的数量()对罗斯福和FDs计划有不同的影响。在FDs方案中,增加的价值稍微提高了平均吞吐量。这是由于增加的事实的概率将增加SUs检测空闲频道。FDs方案不同,只有吞吐量增益,在罗斯福的方案中,存在吞吐量损失感知时间。感应时间被认为是nontransmitting时间,减少了数据传输时间。因此,一个增量将会稍微下降的平均吞吐量。当吞吐量增益不能弥补吞吐量损失,增加恶化的平均吞吐量。

根据计算结果,最佳值和分别是3和11所示。它产生的最大平均吞吐量2.3436比特/秒/ Hz当在罗斯福运营模式和1.3387比特/秒/ Hz FDs模式。换句话说,所述参数值可以实现优化提出了MAC协议的合作认知网络,同时利用系统B电视频道。值得注意的是,我们建议合作全双工光谱传感技术需要建立一个协调员SUs分配频谱资源。这样的方案是完全不同的分布式基于用户争用资源配置(例如,看到9])。在这种情况下,这些计划是很难获得公平的比较。此外,像工作9),作者提出了框架碎片在数据传输阶段为了保护脓。这样的设计使数据传输模式完全不同于我们的。另一方面,我们比较建议全双工场景与传统半双工方案为了显示性能的改善。

8。结论

罗斯福的性能权衡、FDs和高清方案通过分析发现脓和SUs下多通道的平均吞吐量频谱共享和考虑剩余自干扰的影响。罗斯福方案可以提供类似的可实现的PU吞吐量在FDs,通过融合一个足够数量的合作SUs为全双工合作感知。此外,结果表明,不同的结果是一致的主要通道利用率和参数设置。此外,提出基于数值结果的MAC协议设计和评估。找到最优参数设置提出了MAC特别是认知网络在未来实现(例如,认知车载网络利用系统B电视频道)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的部分工程和物理科学研究委员会(EPSRC)授予EP / P003486/1感。

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