[论文解读] Proactive SRV spectrum handoff protocol based on GCS scheme in cognitive radio adhoc network

Morteza Mehrnoush, Vahid Tabataba Vakili|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 16被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于贪婪信道选择（GCS）方案与单会面（SRV）协作机制结合的主动式频谱切换协议，用于认知无线电自组织网络。通过实现无需公共控制信道的分布式、主动式信道切换，该协议减少了碰撞，提升了网络吞吐量和服务时延，仿真结果表明其平均吞吐量更高、平均服务时延更低，优于现有方案。

ABSTRACT

Cognitive radio technology allows the secondary users to utilize the spectrum, when it is not occupied by the primary users. Whenever a primary user wants to utilize a channel which is occupied by a secondary user, the secondary user should perform a proactive spectrum handoff to another channel and vacate the selected channel before the primary user utilizes it. This scheme avoids collision between the primary users and secondary users; moreover, increases the throughput of the primary and secondary users. In this paper, a novel proactive spectrum hand protocol based on the Greedy Channel Selection (GCS) is proposed which avoids collision between secondary users, as well as, collision between primary and secondary users. In the proposed scheme, proactive spectrum handoff is based on the SRV (Single Rendezvous) coordination scheme; therefore, the secondary users perform proactive spectrum handoff without using the common control channel. Moreover, the channel selection is distributed which leads to the higher throughput, and lower average service time. The proposed proactive spectrum handoff protocol is compared with the other proactive spectrum handoff protocols. Simulation results illustrate that the proposed protocol outperforms the other protocols regarding higher average throughput and lower average service time.

研究动机与目标

• 解决认知无线电自组织网络中主用户与次用户之间频谱切换碰撞的问题。
• 消除频谱切换过程中对公共控制信道的依赖。
• 通过主动式、分布式信道选择，提升网络吞吐量并减少平均服务时延。
• 最小化切换相关中断，维持主用户与次用户的服务质量（QoS）。
• 设计一种适用于动态、无基础设施环境的可扩展、分布式频谱管理协议。

提出的方法

• 该协议采用贪婪信道选择（GCS）算法，使次用户能够基于信道质量与可用性，主动选择最佳可用频段。
• 通过集成单会面（SRV）协作机制，使次用户能够在不依赖共享控制信道的情况下同步切换决策。
• 信道选择为分布式机制，每个次用户基于本地感知与信道状态信息独立做出决策。
• 系统基于预测的频谱占用情况，在检测到主用户活动之前主动触发切换。
• 该协议通过避免高主用户活动的信道，优先选择低竞争与高数据速率潜力的信道，从而实现最小化干扰。
• 感知与决策过程在本地完成，降低了信令开销，提升了自组织环境中的可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无公共控制信道的条件下实现分布式主动式频谱切换？
• RQ2 基于GCS的信道选择在认知无线电自组织网络中能在多大程度上减少切换相关碰撞？
• RQ3 SRV协作机制对切换时延与系统吞吐量有何影响？
• RQ4 与现有主动式切换协议相比，该协议在吞吐量与服务时延方面的性能表现如何？
• RQ5 GCS与SRV的集成是否能提升频谱利用率，同时保持对主用户低干扰？

主要发现

• 仿真结果表明，所提出的协议相比现有主动式切换协议，实现了更高的平均吞吐量。
• 由于无需依赖控制信道即可实现快速、主动的信道切换，平均服务时延显著降低。
• 通过预先迁移频谱，该协议有效避免了主用户与次用户之间的碰撞。
• 信道选择的分布式特性增强了可扩展性，并降低了动态自组织环境中信令开销。
• GCS的使用通过优先选择高质量、低干扰信道，实现了高效的信道利用。
• 仿真结果证实，SRV-GCS协议在吞吐量与时延指标上均优于其他方案。