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刘菲, 杜鹏飞, 杨清海. 自主无线网络中信道质量的评估[J]. 北京邮电大学学报, 2015, 38(增): 33-36.  
LIU Fei, DU Peng-fei, YANG Qing-hai. Channel Quality Evaluation in Autonomic Wireless Networks[J]. JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS, 2015, 38(增): 33-36.  
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自主无线网络中信道质量的评估
刘菲, 杜鹏飞, 杨清海    
西安电子科技大学 通信工程学院, 西安 710071
作者简介: 刘菲(1986—), 女, 博士生, E-mail:liufeilf201@sina.com; 杨清海(1976—), 男, 教授, 博士生导师.
收稿日期: 2014-08-20
基金项目: 国家自然科学基金项目(61471287);国家重大专项项目(2013ZX03003011-003)
摘要

无线信道的精确评估是节点接入网络决策的基础.采用基于信道监听过程的方法进行信道质量评估, 使得用户可以正确地接入无线信道.该方法权衡了监听精度和信道空闲时间.进一步分析了监听参数(监听时间和采样频率等)对信道评估结果的影响, 得到了使信道质量值最大时的监听参数.仿真验证了分析结果的正确性.

关键词: 自主无线网络     信道质量     采样频率     监听时间    
中图分类号:TN915.5 文献标志码:A 文章编号:1007-5321(2015)增-0033-04 DOI:10.13190/j.jbupt.2015.增.008
Channel Quality Evaluation in Autonomic Wireless Networks
LIU Fei, DU Peng-fei, YANG Qing-hai    
School of Telecommunication Engineering, Xidian University, Xi'an 710071, China
Abstract

The node access has been paid more attentions in network decision making. An accurate evaluation of wireless channel was investigated. A method based on the process of sensing that is a trade-off between the accuracy of channel sensing and channel idle time, was employed to evaluate the wireless channel. Furthermore, the impact of the sensing parameters including sensing time, sampling frequency on the channel quality was analyzed. An optimal sensing time and sampling frequency was derived to maximize the value of channel quality. Simulations verify the analysis validity.

Key words: autonomic wireless network     channel quality     sampling frequency     sensing time    

近年来，自主网络已引起研究者的高度关注.在自主网络中，节点需要依据交互信息、情景感知信息及监测信息等对周围环境进行评估，如果估计的越精确，那么所做的决策使得节点获得的效益越高.通常，用户在接入网络之前，需要对可用信道质量进行评估，从而做出最优决策.

信道质量与监测精度和信道空闲时间等因素有关.监测精度是正确判断信道状态的衡量指标，它的高低直接影响节点对网络资源的利用率.目前，对于信道监听的研究已存在大量的研究成果[1-4], 为信道质量的评估奠定了基础.

对于信道质量评估的研究，文献[5-8]提出利用信道质量信息能够加强动态谱接入的有效性，然而都没有讨论怎样对信道质量进行评估.文献[9]研究了无线网络中的信道质量评估方法，但是没有考虑监听时间、采样频率对其造成的影响.

针对以上存在的问题，为了使用户正确地接入网络，采用基于信道监听过程的信道质量评估方法.该方法权衡了监测精度和信道空闲时间.并且进一步分析了监听时间、采样频率及用户偏好对该评估结果的影响，得到使信道质量值最大时的监听参数.最后通过仿真验证分析结果的正确性.

1 系统模型1.1 网络模型

自主网络中不存在中心控制节点，每个节点都具有自配置、自管理、自优化的能力.通常，节点在接入网络之前需要对各个信道进行质量评估，基于评估结果选择最佳的信道.

假设自主网络中的节点集合和信道集合分别为N={v1, v2, …, vn}，M={e1, e2, …, en}.每个节点对各个信道都具有监听能力.对于单个信道来说，每个时隙只有一个节点可以进行数据传输，否则会发生碰撞，造成数据丢失.因此，各个自主节点在选择信道进行数据传输时，需要考虑信道质量的情况，这是节点最大化自己效益的基础.对于信道质量有许多不同定义方式.

定义1 信道质量是监测精度和可用于数据传输时间的函数[9]：

(1)

其中CQ、CA和CE分别表示信道质量、监测精度和可用于数据传输的时间. ε>1是指节点的偏好.

假设每个时隙节点只完成一次监听，并且得到相应的监测精度CA和可用于数据传输的时间CE.假设每个时隙的时间为T，节点用于监听信道状态的时间为τ，那么用于数据传输的时间为T－τ，如图 1所示.

图 1 系统时隙模型
1.2 信道监听模型

信道监听的目的是确定某时隙信道所处的状态.节点采用能量监听的方法确定信道的状态.在监听过程中，节点接收到的信息为两类：

(2)

其中：a (k)是指信道传送的信号，y (k)表示节点的接收信号. h (k)和n (k)分别代表信道增益和噪声.如果监听的阈值为λ，当节点接收信号的功率|y (k)|2超过λ时，表示信道在该时隙正在进行数据传输；反之，表示信道处于空闲状态.

为了简单起见，假设信道状态在一个时隙内保持不变(即h (k)为常数)，在时隙与时隙之间发生变化.信道传送的信号a (k)和信道噪声n (k)相互独立，a (k)是一个均值为0，方差为σs2的随机信号，n (k)服从均值为0，方差为σ2的正态分布，那么节点接收到的信噪比表示为γ=σs2/σ2. fs为采样频率，在监听时间τ内的采样数目N=fsτ.根据文献[4]，监测概率Pd和误报率Pf分别为

(3)
(4)

其中

(5)
2 信道质量2.1 信道质量与相关参数的关系

由定义1可知，信道质量由监测精度CA和可用于数据传输的时间CE决定.监测精度是指节点对信道所处状态判断的准确性，它与监测概率Pd和误报率Pf相关.如果节点的监测概率Pd越大，误报率Pf越小，那么说明节点监听信道状态的正确率越高；反之，正确率越低.因此，定义监测精度CA的表达式为

(6)

一般情况下，用于信道的数据传输时间CE与节点误报率Pf和监听时间τ有关.当误报率比较高时，增加了节点对信道处于空闲状态判错概率，因此会影响节点对可用数据传输时间的计算，使得CE的值相对减小.如果误报率Pf不变，当监听时间τ增大时，同样也会使得能用于数据传输的时间减小.基于以上分析，定义可用于数据传输时间为

(7)

其中PB0是指某一信道处于空闲时间的概率.在以下的分析过程中，假设PB0为一常数.将式(6)、式(7) 代入式(1) 得

(8)
2.2 各参数对信道质量的影响

基于以上表达式，研究了偏好ε及监听时间τ等参数对信道质量的影响.通过分析监测概率Pd和误报率Pf随τ的变化关系，得出在一定条件下存在能使信道质量最大的监听时间.

2.2.1 参数ε对信道质量的影响

参数ε对信道质量的影响表现为节点对信道质量的判定偏向于考虑CA和CE的程度.根据式(1) 对ε求导得

(9)
(10)

如果ε越大，说明信道的质量CQ受ME的影响比MA大；反之，相比于ME，信道质量更偏向于由MA决定.

2.2.2 监听时间τ对信道质量的影响

在说明存在最优的监听时间τ之前，先分析监测概率Pd和误报率Pf随监听时间τ的变化情况.首先将式(3) 和式(4) 分别对τ求导得

(11)
(12)

当λ＜σ2时，监测概率Pd和误报率Pf都是关于监听时间τ的增函数；当λ>σ2+σ2γ时，Pd和Pf随监听时间τ的变化情况相同，是关于监听时间τ的减函数；在σ2＜λ＜σ2+σ2γ时，Pf是减函数，Pd是增函数.

定理1 如果节点选择的监听阈值λ满足条件：

σ2＜λ＜σ2+σ2γ

则一定存在使信道质量CQ最大时的监听时间τ.

证明：根据式(8) 可知，CQ是关于τ的拟凹函数，因此存在最优的监听时间τ，使得信道质量最大.

3 仿真结果

通过仿真验证了信道质量、误报率和监测概率随监听时间τ的变化规律并分析了采样频率fs对它们的影响.在仿真设计中，假设信道噪声信号n (t)服从均值为0，方差为σ2=1的高斯分布.各节点发送的信号s (t)是均值为0，方差σs2=2的随机信号.用户的采样频率为1 k~5 kHz，每个时隙的长度T=25 ms，PB0=0.5.

图 2和图 3展示了误报率Pd和Pf与监听时间τ和采样频率fs之间的关系. Pd和Pf随着监听时间的增加分别趋于1和0.在每个时隙中，随着监听时间的增加，节点在监听时间内所采集的信号随之增多，那么对信号的估计就越准确，因此相应的误报率就会随之减少，监测概率随之增加.从图中还可以得到，采样频率fs越高监测收敛的速度越快，因为监听的采样频率fs影响信号估计的准确性，因此当监听时间相同时，监测精度随采样频率fs的增加而升高.

图 2 误报率Pf与监听时间τ之间的关系

图 3 监测概率Pd与监听时间τ之间的关系

从图 4可以看出当监听时间τ一定时，信道质量随着用户偏好的增加而增加并趋于稳定.当用户偏好较小时，监听时间越长(MA越大)，信道质量越高，即信道质量偏向于由MA决定；当用户偏好交大时，监听时间越短(ME越大)，信道质量越高，即信道质量偏向于由ME决定.

图 4 信道质量CQ与用户偏好ε之间的关系

图 5展示了信道质量与监听时间τ和采样频率fs之间的关系.当监听时间τ比较小时，节点获得的采样数据相对较少，对信号的估计精度较低，相对应的监测精度偏小.随着监听时间的增加，监测精度随之增加，因此信道质量有所提升.当监听时间增加到一定程度时，节点的监测精度不变，但信道传输数据的时间偏小，致使可用的信道质量下降.当监听时间τ→T时，CE→0，信道的质量为0.因此合理地选择监听时间τ，信道的质量能够达到最大值.同时，在监听时间τ相等的情况下，采样频率fs越高信道质量越高.从图中可以看出，采样频率越高fs的节点达到最大的信道质量所用的监听时间τ越短.

图 5 信道质量CQ与感知时间τ之间的关系

通过以上仿真结果，验证了用户偏好ε、感知时间τ分别与信道质量之间的关系.同时观测到采样频率fs对信道质量CQ、检测概率Pd和误报率Pf的影响，以及检测概率Pd和误报率Pf随感知时间τ的变化规律.

4 结束语

在自主网络中，为了使用户正确地接入网络，采用基于信道监听过程的信道质量评估方法，并且进一步研究了监听时间τ、节点偏好ε及采样频率fs对信道质量的影响.通过分析监测概率Pd和误报率Pf随监听时间τ的变化关系，得出如果恰当地选择监测时间τ可以得到最优的信道质量.

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自主无线网络中信道质量的评估
刘菲, 杜鹏飞, 杨清海