摘 要：针对目前对认知无线网络公共控制信道研究较少的现状，提出了一种在不增加额外成本、不采用其他通信方式且不影响授权用户使用的前提下，根据信道空闲程度优先序列动态建立认知无线网络公共控制信道的方法。用网络行为仿真软件OPNET建立基于该方法的完整的系统模型和仿真环境，根据仿真结果设计了基于“通信成功率”和“公共信道建立时间”加权的通信质量优化方案，提出了相应的归一化性能函数，并以此为基础确定了优化预设公共控制信道数目这一主要参数。
关键词：认知无线网络；公共控制信道；优先级排序；优化
认知无线网络CRN（Cognitive Radio Network）就是认知无线电的网络化。其本质在于将认知无线电CR（Cognitive Radio）的关键技术（环境感知、智能接入等）应用于无线通信网络的整体中去研究[1]。CRN能够利用认知来获取环境信息，通过对环境信息进行处理和学习做出智能决策，并据此重构网络，实现对无线环境的动态适应。
与其他的无线网络类似，CRN也需要通过一定的方式来实现网络节点之间的互相协调和控制以保证通信的正常进行，这就是公共控制信道产生的根本原因。简单地说，公共控制信道就是一个事先约定好的专门进行用户基本信息交换和控制指令下发的通信信道。随着网络技术的发展，无线网络中用于控制的开销越来越大，公共控制信道的重要性也就越发凸显。要想让一个无线网络能够正常工作，其公共控制信道的畅通和便捷是必不可少的。
与传统的无线网络相比，CRN的公共控制信道有其自身特点，主要体现在以下几点：
（1）CRN的通信原理是CR，即对授权用户频谱“空穴”的二次利用。从这个角度来说，CRN公共控制信道的建立和使用也应当符合CR的基本原则，即不得影响授权用户PU（Primary User）对该信道频率的正常使用。
（2）在不影响PU对频率的正常使用的前提下，CRN的控制信道也应该具备公共控制信道的一般特点，即信道畅通且可以被所有的网络节点方便地使用或者监听。
（3）相对于其他无线网络，CRN在公共控制中需要用到更多的环境参数和控制信息。
目前关于CRN公共控制信道的设计主要有以下3种方案[2]。
（1）划分出一段专门的频谱作为公共控制信道，如参考文献[3]；
（2）选择一段免执照频段作为公共控制信道；
（3）采用超宽带技术进行信令传输，以做到不干扰其他用户，如参考文献[4]。
这3种方案均有不尽人意之处。方案（1）严格意义上说已经不属于认知无线电的范畴；方案（2）虽然可以避免干扰授权用户，但是需要独占公共控制信道，并且可能会和其他使用免执照频段的设备产生串扰；方案（3）虽然解决了对授权用户的干扰以及来自其他设备的串扰的问题，但是与数据通信完全不同的公共控制通信方式又额外增加了系统的成本和复杂度。
当前在这一领域的研究主要侧重点在减少认知无线网络用户对公共控制信道的依赖性上。参考文献[5]、[6]、[7]分别提出了不同的能量检测协同算法，以在满足认知用户基本性能需要的前提下尽可能地降低对控制信道的依赖。目前对公共控制信道建立方法自身的研究还开展的比较少。虽然参考文献[8]提出了Ad Hoc模式下CRN基于博弈论的公共控制信道的信道建立算法，但是该算法和其他的公共控制信道建立算法类似，有计算复杂度高以及在认知用户节点CU（Cognitive User）增加时性能下降较为严重等缺点，缺乏实际应用价值。
1 CRN公共控制信道的动态建立方法
针对当前的研究现状，本文提出了一种简单快速的CRN建立公共控制信道的方法。在CRN中，公共控制信道也应该是具有认知特性，不能干扰到PU的正常使用，因此，公共控制信道的建立是动态的。
本文所设置的研究场景为：CRN为基站BS（Base Station）集中式控制下的点对点通信网络。即由基站负责覆盖区域内认知信道的检测，并在收到来自认知节点的通信请求后，向收发双方认知节点下发通信许可和最优通信频谱。假设所有的CRN节点（包括BS）均可以与其他节点建立通信，忽略隐终端和暴露终端问题，并假设所有的干扰均来自授权用户，忽略空间噪声和其他干扰，如图1所示。而公共控制信道就是连接基站和认知节点的纽带。
本文的公共控制信道建立的整体思路是：根据频谱感知获得的先验知识将所有的认知信道按照其是否适合作为公共控制信道的程度进行排序，确定预设所有信道被选为公共控制信道的优先级，节点和基站再根据此优先级完成公共控制信道的建立。排序的依据是认知信道在一个时间周期内的空闲时间的长短，由此确定这些认知信道作为CRN的公共控制信道的适合程度。显然，在一个周期内，PU活跃时间越短的信道在CRN中就越稳定，也就越适合作为公共控制信道。按照适合程度将CRN中的认知信道进行排列，并优先使用最适合的信道作为公共控制信道。根据这个方法可以将按照优先级排列好的认知信道记作C1，C2……Cn，并通过程序的形式写入CRN的基站和各个节点。
公共控制信道的建立过程如下：
（1）CRN的BS在默认的最高优先级公共控制信道等待来自CU的接入请求，并同时对该信道进行能量检测。
（2）BS一旦检测到最高优先级信道被PU使用，则自动切换至次高优先级公共控制信道等待，以此类推。
（3）当BS在非最高优先级公共控制信道等待时，还将对高于该信道优先级的其他信道进行监听，一旦监听到更高优先级的信道空闲，则自动切换至优先级较高的信道作为公共控制信道等待，公共控制信道的动态转移如图2所示。
（4）CU在试图同其他节点通信之前，首先要通过控制信道同BS取得联系。在这个过程中，CU将首先对最高优先级控制信道进行侦听，如果侦听到信道为空闲，则将在最高优先级控制信道上同BS取得联系，控制信道建立成功。
（5）如果侦听结果为信道忙碌或者通信失败，则CU认为基站忙碌或者最优通信信道被PU占用，如果检测到基站忙碌，则CU等待一段时间；如果是信道被PU占用，则CU自动切换至次优通信信道与BS联系，以此类推直至控制信道建立成功或者所有控制信道均不可用，其工作流程图如图3所示。
本文将从通信成功率和公共信道建立时间两个指标去评价公共控制信道建立方法的通信质量。通信成功率就是CU发起的所有通信请求中最终成功建立公共控制信道的请求次数的比例。公共信道建立时间则指的是从CU发起通信请求到公共控制信道成功建立这一过程所需要花费的时间。
根据上述环境参数，令M=10，即仿真环境中有10个可用认知信道。图4和图5分别给出了在CU数目P不同的情况下，平均公共信道建立时间（lavg）和平均通信成功率（Savg）随预设控制信道数目N的变化。
从图中可以总结出，预设控制信道数目N越大，lavg会有所增加。这是因为CU在较高优先级的预设控制信道通信失败后就会转而使用较低优先级的预设控制信道，从而消耗了更多的时间。同理，N越大，所有预设控制信道均不可用的可能性就越小，Savg就越大。但是与通信延时不同的是，这个增加的幅度会随着认知信道数目的增加而呈现出较为明显的边际效应递减趋势。
可见，最优控制信道数目N*并非是一个一成不变的值，而是根据可用认知信道数目M的不同有着不同的取值。
在CRN中，公共控制信道是保证整个网络系统正常运转的神经中枢。本文给出了一种不依赖于专有控制信道、免许可频段和其他调制方式的CRN的动态的公共控制信道建立方法，并给出了最优化方案的设计、计算方法和结果，对于未来的CRN理论完善和网络的建立有一定的指导意义。由于时间和作者能力的限制，本文未对CU间的通信冲突导致通信质量下降的问题进行深层次的研究和改进。这将作为未来工作的改进方向。
参考文献
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