29、频谱敏捷网络的信道分配与接入协议

频谱敏捷网络的信道分配与接入协议

1. 引言

随着非授权无线通信服务和应用的广泛普及，对更大传输容量的需求显著增加。非授权频段（如ISM频段）变得日益拥挤。与此同时，美国联邦通信委员会（FCC）和其他机构的无线电测量显示，授权频谱的利用率在时间和地理上存在巨大差异，范围从15%到85%。为克服频谱稀缺问题，认知无线电（CR）技术应运而生，它允许用户机会性地按需接入频谱，且不影响授权的主无线电（PR）用户。

CR用户通过持续监测工作信道来识别可用的频谱空洞，并利用这些空洞进行传输，同时采用功率控制以避免对PR用户造成有害干扰。在这种机会性环境下，关键挑战是如何让CR用户高效共享可用频谱，提高整体吞吐量。

此前提出的一些用于认知无线电网络（CRN）的媒体访问控制（MAC）协议，大多假设每个CR配备多个收发器，且采用贪婪的信道分配策略，即选择“最佳”可用信道进行传输，这种策略被称为最佳多信道（BMC）方法。然而，当在CRN中采用BMC方法时，CR传输的阻塞概率会增加，导致网络吞吐量下降。

本文考虑每个CR用户配备单个半双工收发器，目标是最大化并发可行的CR传输数量，并将节能作为次要目标，同时考虑频谱分配和传输功率。对于多收发器的CRN，联合信道分配和功率分配问题是NP难问题，但对于单收发器情况，本文证明该问题可以在多项式时间内最优解决。

本文的贡献包括：
- 提出最优信道分配和功率分配问题的数学模型。
- 基于二分图匹配提出解决该问题的最优集中式算法。
- 为单跳CRN开发基于CSMA的MAC协议AW - MAC，以分布式方式实现集中式算法。
- 为多跳CRN提出高效的分布式信道分配方案，并基于此开发新的C