[论文解读] Multimedia Channel Allocation in Cognitive Radio Networks using FDM-FDMA and OFDM-FDMA

Ansuman Bhattacharya, Rabindranath Ghosh+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2016

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 16被引用 5

一句话总结

本文提出了一种认知无线电网络中新型的非连续信道分配技术，通过FDM-FDMA和OFDM-FDMA聚合多个小的非连续频段，实现多媒体通信。该方法优于传统的首次适应（first-fit）和最佳适应（best-fit）算法，在96%的业务负载下仍能在一秒内完成信道分配（OFDM-FDMA为4.5秒），而现有方法完全失效。

ABSTRACT

In conventional wireless systems, unless a contiguous frequency band with width at least equal to the required bandwidth is obtained, multimedia communication can not be effected with the desired Quality of Service. We propose here a novel channel allocation technique to overcome this limitation in a Cognitive Radio Network which is based on utilizing several non-contiguous channels, each of width smaller than the required bandwidth, but whose sum equals at least the required bandwidth. We present algorithms for channel sensing, channel reservation and channel deallocation along with transmission and reception protocols with two different implementations based on $FDM-FDMA$ and $OFDM-FDMA$ techniques. Simulation results for both these implementations show that the proposed technique outperforms the existing first-fit and best-fit~\cite{b109, b110} allocation techniques in terms of the average number of attempts needed for acquiring the necessary number of channels for all traffic situations ranging from light to extremely heavy traffic. Further, the proposed technique can allocate the required numbers of channels in less than one second with $FDM-FDMA$ ($4.5$ second with $OFDM-FDMA$) even for $96\%$ traffic load, while the first-fit and best-fit techniques fail to allocate any channel in such situations.

研究动机与目标

• 解决认知无线电网络中因频谱碎片化导致单一连续频段无法满足多媒体服务质量（QoS）要求的问题。
• 通过聚合多个非连续信道（总带宽足以满足所需数据速率），实现可靠的多媒体传输。
• 为高负载场景下的动态频谱接入设计高效的信道感知、预留和释放协议。
• 在不同业务负载下评估并比较基于FDM-FDMA和OFDM-FDMA实现的性能。

提出的方法

• 利用FDM-FDMA和OFDM-FDMA技术，在多个非连续信道上传输多媒体信号，每个信道的带宽小于所需带宽，但总体带宽足够。
• 采用分布式感知机制，节点同时感知多个信道以识别空闲信道。
• 引入两阶段协议：第一阶段通过TAM（信道分配消息）和NACK/ACK信号进行基于尝试的信道获取；第二阶段通过CHALLOC或CRM消息完成最终预留。
• 通过TAM消息实现临时预留机制，防止信道获取过程中的冲突，设置超时和重试次数限制。
• 在OFDM-FDMA中采用随机化信道选择策略以避免竞争，从1到MAX中选择j个不重复的信道。
• 维护本地信道使用和预留数据库，以跟踪临时阻塞和永久预留的信道。

实验结果

研究问题

• RQ1 当不存在足够宽度的单一连续频段时，能否在认知无线电网络中有效支持多媒体通信？
• RQ2 在高负载条件下，使用FDM-FDMA和OFDM-FDMA的非连续信道分配性能与传统首次适应和最佳适应算法相比如何？
• RQ3 所提出方法在多大业务负载下仍能在合理时间范围内完成成功的信道分配？
• RQ4 在不同网络条件下，FDM-FDMA和OFDM-FDMA实现的分配延迟和可扩展性有何差异？

主要发现

• 所提方法在96%业务负载下使用FDM-FDMA可在1秒内完成成功信道分配，而首次适应和最佳适应算法在相同条件下完全失效。
• 在96%负载下，OFDM-FDMA的分配过程耗时4.5秒，仍能成功完成，而传统方法完全失败。
• 在所有业务负载条件下（从轻载到极高负载），信道获取所需的平均尝试次数显著低于首次适应和最佳适应算法。
• 该方法在信道获取中保持高可靠性和低延迟，即使在频谱高度碎片化时也能成功完成。
• OFDM-FDMA中采用的并行感知和随机化信道选择减少了竞争，提高了信道访问的公平性。
• 所提协议通过CRM消息确保及时释放信道，最小化干扰并提高频谱复用效率。