認知無線電網絡的MAC層關鍵技術
認知無線電(CR)技術通過對授權頻譜進行“二次利用”的方式，有效地緩解了頻譜資源缺乏與日益增長的無線接入需求之間的矛盾，越來越受到人們的關注。
為實現CR用戶利用頻譜空穴的同時避免對授權用戶造成有害干擾，要求CR網絡的媒體接入控制(MAC)層不僅提供傳統的服務，如媒體接入控制和健壯的數據傳輸，還能支持一套全新的功能，即在不干擾授權用戶的條件下有效地實現機會式頻譜利用。這些新的功能體現在MAC層的頻譜檢測管理、接入控制、動態頻譜分配、安全機制及跨層設計等各個方面，下面將針對上述各技術分別進行探討。
1 MAC層頻譜檢測管理
MAC層頻譜檢測管理主要用于控制物理層頻譜檢測算法的執行，如決定檢測哪些信道、何時檢測等。目前MAC層頻譜檢測管理的研究主要關注檢測策略和檢測參數的選取及優化，包括檢測模式的選取、檢測周期及檢測時長的設置、檢測信道的選取和檢測靜默期的設置等。
根據CR用戶檢測時機的不同，檢測模式可分為周期檢測和按需檢測。周期檢測是指CR用戶按一定的周期檢測信道，而不僅是有數據發送時才進行檢測。這種方式可周期性地收集信道的狀態信息，利于估計信道狀態，快速定位頻譜空穴。按需檢測則是當CR用戶有數據要發送時才去檢測信道。相比周期檢測，按需檢測減少了不必要的檢測開銷，但檢測到頻譜空穴的時間較長。依據“能量效率”原則，通過對檢測所消耗能量和尋找空閑信道所需延時進行折衷，實現了檢測模式的自適應選擇。
在周期檢測中，選擇合適的檢測周期十分關鍵，若檢測周期過大，則會因無法檢測到某些空閑頻譜，而損失掉一些接入機會，同時也會因未能及時檢測到授權用戶的出現而產生有害干擾；若檢測周期過小，則會導致過于頻繁的檢測，消耗不必要的能量。周期檢測通常包括同步周期檢測和異步周期檢測兩種機制。同步周期檢測機制為所有信道設置相同檢測起始時間和相同檢測周期，實現簡單，缺乏靈活性；相對應的，異步周期檢測機制靈活性受到了更多的關注。
文獻[1]以最小化損失接入機會為優化目標，提出了一種自適應的異步檢測周期優化算法。算法針對每個信道分別自適應設置其檢測周期，對于減小定位空閑頻譜時長，最大化利用接入機會起到了一定作用，但對每個信道來說，檢測周期仍然是固定間隔的，即最優檢測周期一旦選定就不再改變，本質上仍然是一種基于固定檢測周期的檢測機制。
作為固定周期檢測機制的推廣，]提出了一種基于可變檢測周期(FSP)的檢測機制，引入了“檢測間隔控制因子”，通過調整該因子實現在信道狀態可能發生變化的區域縮小檢測周期，提高檢測的效率，體現了周期變化的靈活性。為將FSP機制的可變檢測周期進一步推廣到隨機檢測周期，又引入了每隔一段隨機時間進行檢測的隨機檢測機制(RAPSS)，并提出了更具有一般性的檢測周期優化模型(MRM-SPO)，同時考慮了實際應用中由物理層檢測算法局限性引起的檢測錯誤存在情況，及為避免與授權用戶頻譜沖撞引入的CR用戶延遲占用信道機制等對檢測周期優化的影響。
檢測時長作為周期檢測的另一個主要參數，其設置的合適與否本質上是檢測質量和檢測速度折中的體現。縮短檢測時長會導致檢測質量下降；增大檢測時長可提高檢測質量，但同時會降低可用空閑頻譜的利用率。檢測時長除與底層硬件設備及物理層檢測算法直接相關外，還可根據CR用戶對空閑頻譜的利用率、檢測速度與檢測性能折中等指標進行選取和優化。
為快速尋找頻譜機會，除了對檢測時長進行優化外，還涉及到檢測信道的選取問題。現有關于選取檢測信道的研究主要包括以下幾個方面：選取最有可能空閑的信道進行檢測、優化信道檢測順序等。
此外，檢測靜默期的設置也是MAC層頻譜檢測管理的重要研究內容。從CR網絡的角度考慮，CR用戶檢測CR網絡內某一頻譜時，所有系統內其他工作于這個頻譜的用戶都應需要一段時間保持靜默，以確保CR用戶自身的通信不會干擾到對授權用戶信號的檢測，其中這段時間稱為靜默期。
靜默期按照實現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，同一時間CR用戶在系統所有可用信道上都停止發射信號，設置較為簡單，每個CR用戶都能夠檢測所有信道；異步靜默期方式則是一個或多個CR用戶在所占用的特定信道上停止發射信號，每個信道可以有不同的靜默期，CR用戶通常只能檢測自身所占用的信道。由于同步靜默期的實現需要動態寬帶濾波器的支持，目前的研究多關注異步靜默期，主要有利用保護間隔的異步靜默期、時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用戶是否可以接入網絡及采用何種策略接入，是實現優化頻譜分配的基本前提。由于授權用戶接入信道具有絕對優先權，授權用戶和CR用戶是主從式動態接入信道的，這種關系體現于：當授權用戶未占用信道時，CR用戶機會接入空閑信道；當授權用戶再次出現時，CR用戶要及時退出正在使用的信道，避免和授權用戶發生碰撞。通常將CR用戶與授權用戶的共享信道組成一個頻譜共享池。根據授權用戶接入頻譜共享池時是否考慮CR用戶的存在可以將CR用戶的接入控制分為與授權用戶協調接入和透明接入兩種類型。
2.1 與授權用戶協調的接入控制
若授權用戶的接入控制策略能夠根據CR用戶進行調整，則CR用戶可以與授權用戶協調接入頻譜池。在這種接入方式下，授權用戶考慮信道上是否存在CR用戶，自動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用戶就可以繼續占用信道，否則其業務就有可能被授權用戶強制中斷。由于授權用戶接入信道時考慮了CR用戶的存在，CR用戶業務被強制中斷的情況僅發生在頻譜資源不足、授權呼叫請求發生阻塞時。通過CR用戶與授權用戶協調共享頻譜，可使頻譜資源的整體利用率得到提高。
仿真結果表明，相比于現有的授權用戶獨占信道的通信系統，CR用戶采用與授權用戶協調接入的方式，可以使信道利用率η最大增加40%，且阻塞率Pb <10%，強制中斷率Pf 為0.1％左右。但CR用戶與授權用戶協調接入的方式要求授權用戶網絡做一些改動，如增加控制信道功能等，因此在實際網絡中實現起來比較困難。
2.2 透明接入控制
考慮更接近實際的一種情況：授權用戶接入頻譜時不考慮CR用戶是否存在，即CR用戶是否占用頻譜對授權用戶來說完全透明。這種情況下CR用戶應采用靈活的接入控制策略實現對授權用戶的透明接入，盡可能減少授權用戶的再次出現對CR用戶業務的影響。若授權用戶始終將其接入的頻譜視為空閑頻譜，而不考慮CR用戶是否正在占用該頻譜，那么相比于與授權用戶協調接入方式，透明接入方式只要網絡中存在CR用戶，就有被授權用戶強制中斷的可能。在相同的仿真環境下，相比于與授權用戶協調的接入控制，透明接入的η和Pb 性能相差無幾，而Pf 則增加了近一個數量級。較高的Pf 對CR業務特別是實時通信業務的影響較大，如何降低Pf 成為重點關注的問題。目前研究主要有信道預留和預測這兩種方法。
(1)基于信道預留的透明接入
基于信道預留的透明接入是有效降低CR用戶Pf 的策略之一，可為授權用戶預留信道，也可為CR用戶預留信道。
對于為授權用戶預留信道方式，當授權用戶接入時，先選擇空閑的預留信道接入，若預留信道全部占用，則接入非預留的信道，即若為授權用戶預留R 個信道，則CR用戶至多能夠接入M -R個。這種方式通過控制授權用戶優先接入預留的空閑信道，減小了CR用戶被中斷的可能，但同時減小了CR用戶的可用信道數，使Pb 加大；對于為CR用戶預留信道方式，當CR用戶正在占用的信道再次出現授權用戶時，CR用戶切換到為其預留的信道上。這種方式下無需對授權用戶進行控制，使授權用戶網絡不用作任何改變，但同樣會增加Pb 。
總之，基于信道預留的透明接入方式，其核心思想是預留一部分頻譜資源給授權用戶或CR用戶專用，以達到降低Pf 的目的，而實質是以一定的Pb 性能的損失換取Pf 性能提高。通常通過尋求最優的預留信道數取得Pb 與Pf 的折中。#p#
(2)基于預測的透明接入
采用預留信道的機制可一定程度上降低Pf ，但由于實質上仍是CR用戶與授權用戶發生沖撞后被動地退出信道，這樣無疑不僅會對授權用戶造成有害干擾，還會引起CR用戶頻繁的傳輸中斷。若采用上述為CR用戶預留信道方式用于切換還會不可避免帶來一些切換時延。基于預測的透明接入方式則是通過預測信道的特性，如授權用戶的信道占用規律、頻譜空穴出現的位置及可能的空閑時長等，主動選擇滿足要求的最佳接入機會，降低可能與授權用戶沖撞的概率。預測的方法可以是基于歷史信息的簡單估計也可以是一些相對復雜的人工智能算法。
依據信道隨授權用戶占用和空閑動態變化的歷史信息，提出了一種啟發式預測接入算法，從可用時間上估計信道的可用性；提出了基于隱馬爾可夫模型(HMM)的信道預測算法，通過預測授權用戶的頻譜空閑/占用的概率，得到頻譜空穴出現的時隙及其空閑時長，CR用戶基于頻譜空穴的可能性來決定占用哪個信道。這樣CR用戶就可以根據信道預測信息及時地主動的退出下個時隙可能被授權用戶占用的信道，而不是檢測到授權用戶后被迫強制中斷，從而大大減少與授權用戶沖撞的次數。
3 MAC層動態頻譜分配
由于空閑頻譜資源有限，CR用戶之間需要競爭使用這些資源，且不同CR用戶的優先級、QoS要求都不一樣，所以CR網絡需要在保證優先級高的CR用戶先得到服務的同時也要保證頻譜資源不會被某些CR用戶獨占，即網絡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CR用戶的優先級、QoS等要求，公平而有效地分配一定數量的頻譜資源，使得網絡性能得到改善或逼近于最優狀態。
但受授權用戶使用頻譜的限制，CR可用頻譜的數量和位置隨時間在不斷變化，因此對于這些“不確定”的頻譜資源進行優化分配本質上是一個受限的頻譜分配問題。這里還需注意的一點是：實時性要求是CR網絡中頻譜分配技術區別于其他無線通信頻譜分配的最主要特點。這主要是由于授權用戶是否使用頻譜是一個隨機過程，實際的可用頻譜信息不斷變化，相應的頻譜分配算法執行時間應盡量縮短。提高實時性體現于降低算法復雜度、減小信令開銷等多個方面。
在頻譜分配算法中，若簡化考慮CR用戶與授權用戶之間以及CR用戶之間的干擾結果為僅有兩種情況，即不干擾或干擾，分別記為0或1，稱為二進制干擾模型；若考慮實際中多個用戶會同時對某一授權用戶或CR用戶造成干擾，稱為累積干擾模型。這時要求每個CR終端能夠測量得到不同頻段的本地干擾溫度。在二進制干擾模型中，當干擾結果為1時，CR用戶不能分配該頻段；在累積干擾模型中，當多個CR用戶在某個頻段的累積干擾溫度超過了干擾溫度限時，CR用戶不能分配該頻段。針對這兩種干擾模型，分別有以下兩類頻譜分配算法：#p#
(1)基于二進制干擾模型的頻譜分配
現有的基于二進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CR用戶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多個CR用戶之間相互交換分配信息、協商頻譜分配，具有很好的優化性能。選取信道利用率最大和公平性最優為優化目標，分別提出了分布式貪婪算法(DGA)和分布式公平算法(DFA)。為降低算法的復雜度，同時提出了一種隨機分布式算法(RDA)，并指出復雜度較低的算法更適合于CR網絡環境。由于DGA、DFA和RDA等算法完成的時間隨著信道數的增多而增加，為縮短算法執行時間，提出一種并行分配算法，把復合圖分解為多個簡單子圖，更適用于大規模系統的頻譜分配。上述算法都是基于固定網絡拓撲的假設，對于網絡拓撲可變的情況，提出了一種Bargaining算法，通過將受拓撲變化影響的CR用戶自組織成Bargaining群，僅對Bargaining群進行局部優化，相比于DGA算法通信開銷降低了50%以上，但信道利用率性能稍差一些，且還存在一定的群內合作通信開銷。
上述基于合作的算法為了共享相鄰用戶頻繁交換的協作信息，需要公共的協調協議和控制信道，必然會增加系統的復雜性和額外開銷。這對于能量受限的通信系統，如Ad Hoc網絡、無線傳感器網絡等并不適用。針對以上問題，Zheng等人提出了基于規則的算法。其基本思路是用戶通過觀察本地干擾碼型，依據預先設定的適用于不同場景的規則獨立決策選擇信道，從而使系統的性能、復雜度和通信成本取得折中。實驗結果表明相對于合作算法，這種基于規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銷降低3~4倍。
(2)基于累積干擾的頻譜分配
現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用戶對頻譜的占用方式不同可以分為兩類，即共用式頻譜分配算法和獨占式頻譜分配算法。
共用式頻譜分配是指多個CR用戶之間以干擾避免或時分復用的方式來分配頻譜資源。由于多個CR用戶共同占用同一段頻譜，不可避免要產生同頻干擾。如何減小同頻干擾，最大化CR用戶的收益是面臨的主要問題。
針對不同的頻譜共享應用場景，現有的研究分別提出了不同的模型和算法。若授權用戶只有少量的頻譜資源可提供給CR用戶機會占用，多個CR用戶為了獲得有限的頻譜資源會產生競爭，這種場景可以抽象為經濟學中分析供不應求的寡頭壟斷市場的古諾博弈模型；若不需考慮CR用戶對授權用戶的干擾影響，只考慮CR用戶之間的干擾，提出基于勢力場博弈模型的干擾效用函數。勢力場博弈適用于效用函數中考慮用戶間合作決策的情形，其收斂速度快，但當效用函數只考慮自身因素時勢力場博弈將不再適用。
針對這種情形可以利用非遺憾學習算法來解決，仿真結果表明非遺憾學習算法收斂于混合策略納什均衡。從避免CR之間競爭頻譜產生沖撞的角度提出一種以最大化CR用戶在所有信道上的總傳輸速率為目標的效用函數，多個CR用戶通過在可用信道上調整傳輸概率來避免沖撞，從而提高總的傳輸速率。為得到相關均衡解，文獻[17]同時提出了一種非遺憾學習算法來保證收斂，并證明了這種算法以概率1收斂于相關均衡。
仿真結果表明，應用相關均衡可以比應用納什均衡得到5%~15%的頻譜利用率提升。
獨占式頻譜分配中由于各個用戶獨占頻譜，用戶間無需考慮同頻干擾，這時CR用戶間的競爭單純表現在頻譜的爭用上。設系統中存在多個出租頻譜的授權用戶和多個租賃頻譜的CR用戶，授權用戶通過拍賣來出租未使用的頻譜，CR用戶則通過競價來獲得頻譜，這種關系可應用博弈論中的雙向拍賣理論進行建模。由于存在多個授權用戶和多個CR用戶，則不但CR之間存在競爭，授權用戶之間也存在競爭。雙向拍賣模型中，由于用戶需要根據其他用戶的報價來選擇自己的報價，用戶之間的信息交互頻繁，而在實際的系統中由于頻譜狀態的時變性和用戶的自私性，很難在雙向拍賣中實現雙邊議價。為了解決上述問題，對雙向拍賣模型進行了改進，針對無中心控制、存在自私用戶的場景，在雙向拍賣模型的基礎上提出了一種基于信任率的動態議價方案，通過博弈的歷史信息建立預測其他用戶策略的信任率，從而指導用戶決策，在非完全信息的情況下達到高效議價目的。基于信任率的動態議價方案也可以利用雙向拍賣模型中的擴散減小準則，進一步加快算法的收斂。#p#
4 MAC層安全機制
由于CR技術的引入，CR網絡除同樣面臨傳統無線網絡的很多安全問題外，還面臨一些新的安全隱患。如在MAC層，由于存在頻譜檢測的同步、缺乏公共控制信道等固有的問題，其安全問題也不可忽略。CR網絡MAC層可實施的4種新的攻擊手段分別為：
(1)偏袒效用攻擊：自私的CR用戶可以通過修改MAC層頻譜分配效用函數的參數來增加自己所獲得的帶寬，如果其他CR用戶或者基站無法檢測到這種異常行為，將會導致其他CR用戶的可用頻譜資源的減少。
(2)異步感知攻擊：在其他CR用戶進行同步靜默期檢測的時候，惡意CR用戶選擇異步發送信號，從而使得基站或其他CR用戶誤以為檢測到的是授權用戶發送的信號，導致頻譜機會的丟失。
(3)虛假反饋攻擊：惡意用戶通過反饋虛假的頻譜檢測或分配信息來破壞頻譜分配的公平性或引發其他節點的錯誤行為，這種攻擊行為就是虛假反饋攻擊，在集中式和分布式的CR網絡中都可以實施。
在集中式的CR網絡中，虛假反饋攻擊通常發生在惡意節點通過向基站回報虛假的頻譜感知信息的場景下，但由于基站是通過信息融合來進行判決，要實施這種攻擊，需要大量的惡意節點匯報相同的虛假信息，其效率是比較低的。
在分布式的CR網絡中，CR用戶通過交互信息來進行協作信道分配，若一個或一組惡意用戶對于授權用戶頻譜占用情況或可用信道情況傳送虛假反饋信息，將會導致其他CR用戶做出干擾授權用戶或丟失頻譜接入機會的決定。
(4)飽和控制信道攻擊：在CR網絡中，公共控制信道既是網絡性能的瓶頸，也是安全的關鍵點。公共控制信道之所以成為網絡性能的瓶頸，是由于業務流量的增大會引起頻繁的控制信息交互，從而可能造成控制信道飽和，另外控制信息數據包的碰撞會降低控制機制的有效性，同時影響信道協商分配過程，這兩種情況都會造成網絡性能的下降。而成為安全的關鍵點，是因為攻擊者可以通過發送大量偽造的MAC控制信息來造成飽和控制信道攻擊，這樣合法的CR用戶就無法利用控制信道來協商數據信道的分配了，從而造成CR網絡不可用。
以上MAC層的攻擊行為主要通過對MAC幀的修改和偽造來實施。對于集中式網絡，可增加對MAC幀的認證機制。如IEEE 802.22 WRAN網絡中，BS/CPE協議參考模型建立了4個專用的模塊化安全子層，用來保護數據、認證頻譜感知和定位信息、認證頻譜管理實體的配置信息。
然而在分布式CR網絡中，由于缺乏可信的實體作為服務器控制密鑰分發來進行加密認證和完整性保護，應用安全子層非常困難。因此，采用相鄰節點監視機制應該更適合于分布式CR網絡。
5 MAC層的跨層設計
上述MAC 層各關鍵技術的設計通常受限于傳統的分層協議模型。為適應CR網絡自適應動態無線環境的特性，如何結合物理層和上層信息，設計和實現全局優化的MAC層技術，成為目前的研究熱點之一。
在MAC層與物理層跨層設計方面，提出了基于檢測貢獻加權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聯合設計，為在頻譜檢測中作貢獻大的CR用戶分配更多的頻譜，最大化系統吞吐量的同時體現分配的公平性。
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合設計，在降低用戶之間干擾的同時，通過對頻譜的有效分配，充分利用頻譜資源，實現網絡吞吐量的提高。
在MAC 層與網絡層路由選擇跨層設計方面，研究表明，MAC 層頻譜分配和網絡層路由的聯合設計能顯著的提高連接的穩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任務合并到網絡層執行，由網絡層選擇路由并調度路由上無沖突信道的使用。基于這一思想，提出一種合作式路由選擇和頻譜分配的跨層解決方案。MAC層和網絡層的合作通過分級路由和信道選擇過程實現，在選擇路由的同時，調度每段路由上無沖突信道的使用，使得路由的穩定性和端到端吞吐量得到提高。
在MAC 層與傳輸層跨層設計方面，MAC層的頻譜分配和傳輸層TCP協議進行聯合跨層設計，可避免頻譜的動態變化對TCP協議超時重傳機制帶來的不利影響。
可能的解決方案是：TCP協議根據MAC層的頻譜分配情況獲取CR用戶當前工作的頻段，并計算出該頻段對應的傳輸往返時間(RTT)，結合RTT設置恢復時間目標(RTO)參數。同時，當MAC層的頻譜分配發生改變時，TCP協議結合CR用戶工作頻段的變化情況重新計算出當前工作頻段對應的RTT，從而根據變化的RTT自適應地調整RTO參數，使協議性能得到優化。
6 結束語
CR網絡是目前的一個研究熱點, 而其中MAC層關鍵技術的研究則更是人們關注的重點。當前MAC層頻譜檢測管理、接入控制、動態頻譜分配、安全機制及跨層設計等問題還處于理論研究的階段。相信通過研究人員的不懈努力，CR網絡將進一步走向實用。
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