Abstract
Cognitive radios (CRs) are emerging as a promising technology to enhance spectrum utilization through opportunistic on-demand access. Many MAC protocols for cognitive radio networks (CRNs) have been designed assuming multiple transceivers per CR user. However, in practice, such an assumption comes at the cost of extra hardware. In this paper, we address the problem of assigning channels to CR transmissions in single-hop and multi-hop CRNs, assuming one transceiver per CR. The primary goal of our design is to maximize the number of feasible concurrent CR transmissions, and conserve energy as a secondary objective, with respect to both spectrum assignment and transmission power subject to interference constraint and user rate demands. The problem is formulated under both binary-level and multi-level spectrum opportunity frameworks. Our formulation applies to any power-rate relationship. For single-hop CRNs, a centralized polynomial-time algorithm based on bipartite matching that computes the optimal channel assignment is developed. We then integrate this algorithm into distributed MAC protocols that preserve fairness. For multi-hop ad hoc CRNs, we propose a novel distributed MAC protocol (WFC-MAC) that attempts to maximize the CRN throughput, assuming single transceiver radios but with “dual-receive” capability. WFC-MAC uses a cooperative assignment that relies only on information provided by the two communicating users. The main novelty in WFC-MAC lies in requiring no active coordination with licensed users and exploiting the dual-receive capability of radios, thus alleviating various channel access problems that are common to multi-channel designs. We conduct theoretical analysis of our MAC protocols, and study their performance via simulations. The results indicate that compared with CSMA/CA variants, our protocols significantly decrease the blocking rate of CR transmissions, and hence improve network throughput
چکیده
رادیو شناختی ها (CR ) به عنوان یک تکنولوژی امید بخش برای افزایش بهره وری طیف از طریق دست یابی فرصت طلبانه بر حسب تقاضا ظهور کرده اند. بسیاری از پروتکل های MAC ایی که برای شبکه های رادیو شناختی (CRN ) طراحی شده اند، به ازای هر کاربر CR ترانسیور های چندگانه را در نظر گرفته اند. به هر حال در عمل، چنین مفروضاتی منجر به بالا رفتن هزینه های اضافی در بحث سخت افزار می شوند. در این مقاله ما مسئله تخصیص کانال ها به انتقالات CR را در CRN های تک گامی و چتدگامی بررسی می کنیم و فرض را بر آن می گیریم که برای هر CR یک ترانسیور اختصاص یافته است. هدف اولیه و اصلی طراحی ما به حداکثر رساندن تعداد انتقالات همروند امکان پذیر CR و صرفه جویی در انرژی مصرفی در هدف دوم است. همچنین در این اهداف، هر دو موضوع قدرت انتقال و تخصیص کانال با توجه به نرخ تقاضای کاربر و محدودیت تداخل نیز در نظر گرفته شده اند. در این مقاله مسئله مذکور را در هر فریم ورک فرصت طلبانه طیف چند سطحی و تک سطحی بررسی کرده ایم. و آن را فرمول سازی نموده ایم در این فرمول ها کلیه روابط نرخ – قدرت به کار گرفته شده است. در CRN های تک گامی، یک الگوریتم زمان چند جمله ایی متمرکز شده مبتنی بر انطباق دو بخشی که تخصیص بهینه کانال را محاسبه می کند، استفاده شده است. سپس این الگوریتم را در درون پروتکل های MAC توزیع شده که عدالت از پیش تعریف شده را انجام می دهند، جامع سازی نموده ایم. در CRN های AD-HOC چند گامی، از یک پروتکل توزیع شده MAC جدید (WFC-MAC) استفاده کرده ایم که سعی دارد گذردهی CRN را به حداکثر برساند و در آن نیز رادیو های ترانسیوری ساده ایی استفاده شده است که قابلیت دریافت دو گانه را دارند. WFC-MAC از یک تخصیص مشارکتی استفاده می کند که از طریق اطلاعاتی که توسط برقراری ارتباط دو کاربر با یکدیگر به دست آمده اند تنظیم شده است.
نوآوری موجود در WFC-MAC آن است که نیازی به منطبق شدن فعال با کاربران مجوز دار ندارد و می تواند از قابلیت های دریافت دو گانه رادیویی نیز استفاده کند. از این رو می تواند مشکلات دسترسی به کانال را که در طراحی های چند گانه رایج هستند را برطرف نماید. همچنین کارایی و عملکرد پروتکل خود را تجزیه و تحلیل و سپس آن را شبیه سازی کرده ایم. نتایج به دست آمده نشان می دهند که در مقایسه با الگوی دسترسی CSMA/CA، پروتکل پیشنهادی ما به صورت قابل توجهی میزان نرخ بلوکه کردن انتقالات CR را کاهش می دهد و از این رو گذردهی شبکه را افزایش می دهد.
1-مقدمه
بار ترافیک سنگین بر روی بخش بدون مجوز طیف رادیویی ( یعنی باندهای ISM. a. k. a) به همراه تخصیص استاتیک و نامناسب طیف مجوز دار، منجر به بروز نیاز هایی برای ارائه الگو های جدید در بحث تخصیص طیف شده است که هدف اصلی آنها نیز بهبود کارایی و تخیصی طیف از طریق دسترسی فرصت طلبانه به طیف است. پژوهش های اخیری که توسط FCC و سایر آژانس های پژوهشی دیگر که در حوزه سنجش رادیویی انجام شده نشان می دهد که تغییرات جغرافیایی و موقتی در بهره وری طیف مجوز دار تاثیر گذار هستند و می توانند تا 15 درصد این بهره وری را کاهش دهند...