王中偉，賈振紅，覃錫忠，夏曉燕，鄧 磊

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基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜分配

王中偉1，賈振紅1，覃錫忠1，夏曉燕2，鄧 磊2

(1. 新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)新疆有限公司，烏魯木齊 830063)

針對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)中頻譜日益緊缺的問題，對(duì)基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)進(jìn)行研究，提出一種保護(hù)信道和排隊(duì)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)信道分配方案。該方案在不影響主用戶業(yè)務(wù)的情況下，為因主用戶到達(dá)而切換的次用戶預(yù)留保護(hù)信道，對(duì)新到達(dá)的次用戶采用排隊(duì)策略。如果系統(tǒng)中主用戶或者次用戶因服務(wù)完畢而離開時(shí)，隊(duì)列中的次用戶則可按一定的次序使用空閑可用的子信道。仿真結(jié)果表明，與僅預(yù)留保護(hù)信道和僅使用隊(duì)列緩沖器的方案相比，該方案能有效降低系統(tǒng)的總體失敗率，提高分配性能，且對(duì)次用戶的平均吞吐量和平均延遲影響較小。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)；動(dòng)態(tài)頻譜接入；擁塞率；信道預(yù)留；馬爾科夫模型

1 概述

在無線通信系統(tǒng)中，隨著日益增長(zhǎng)的通信需求，頻譜資源緊缺的問題越來越嚴(yán)重。近年來研究發(fā)現(xiàn)，基于授權(quán)的固定頻譜分配方式導(dǎo)致頻譜利用率極低，僅為5%~ 10%[1]，但是某些未授權(quán)頻段(如手機(jī)通信頻段)因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)而擁擠不堪。因此，探索新的頻譜資源分配方案勢(shì)在必行。

認(rèn)知無線電[2]是一個(gè)智能的無線通信系統(tǒng)，具有在不影響授權(quán)用戶的前提下智能地利用空閑頻譜的能力，提高頻譜的利用率，因此，基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜接入[3-4]被認(rèn)為是解決上述問題的有效方案。在該方案中，獲得頻段授權(quán)的用戶稱為主用戶，未獲得的稱為次用戶，主用戶對(duì)頻譜具有優(yōu)先權(quán)，可隨時(shí)使用頻譜。同時(shí)主用戶可將空閑頻段出讓給或租賃給次用戶，使得次用戶可共享使用授權(quán)頻段。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都致力于動(dòng)態(tài)頻譜分配的研究：文獻(xiàn)[5]提出了一種連續(xù)時(shí)間的馬爾科夫鏈模型去預(yù)測(cè)未授權(quán)頻段的行為；文獻(xiàn)[6]提出了一種評(píng)價(jià)主用戶和次用戶堵塞率的理論方法；文獻(xiàn)[7]為降低次用戶的擁塞率，采取為新到達(dá)的次用戶排隊(duì)策略；文獻(xiàn)[8]在為新到達(dá)的次用戶排隊(duì)的基礎(chǔ)上，考慮了排隊(duì)對(duì)次用戶造成的影響；文獻(xiàn)[9]為減少次用戶的被迫終止率，采用了為因被搶占而切換失敗的次用戶排隊(duì)的策略；文獻(xiàn)[10-11]研究了為切換的次用戶預(yù)留信道的馬爾科夫模型，提高了系統(tǒng)的吞吐量；文獻(xiàn)[12]為最大化地提高頻譜的利用率，中央控制器為新到達(dá)的次用戶盡可能多地分配頻譜；文獻(xiàn)[13]考慮了不同類型的次用戶的優(yōu)先級(jí)問題；文獻(xiàn)[14]考慮了次用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)問題。但以上研究都沒有考慮將切換保護(hù)信道和排隊(duì)相結(jié)合的問題。

本文在上述工作的基礎(chǔ)上，提出在無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中預(yù)留切換保護(hù)信道和為新到達(dá)的次用戶排隊(duì)相結(jié)合的信道分配方案。該方案為因主用戶到達(dá)而被搶占的需要切換的次用戶預(yù)留保護(hù)信道，以降低次用戶的被迫終止率；為抑制新到達(dá)的次用戶擁塞率惡化現(xiàn)象，采取為新到達(dá)的次用戶排隊(duì)的策略。

2 系統(tǒng)模型及性能分析

2.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)在無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，有個(gè)已經(jīng)被授權(quán)的信道，而每個(gè)信道又可被進(jìn)一步分為個(gè)子信道，主用戶可以使用個(gè)信道中任一個(gè)信道，次用戶可以使用個(gè)信道中的任何一個(gè)，但如果某授權(quán)信道被使用，那么該信道劃分的子信道不能被次用戶使用。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型

從個(gè)信道中預(yù)留個(gè)信道為切換的次用戶使用，為新到達(dá)的次用戶采用排隊(duì)策略，其容量為。在本文中，采用中央控制式的動(dòng)態(tài)信道接入控制方案，主要考慮次用戶性能的變化。設(shè)主用戶和次用戶的到達(dá)都符合互為獨(dú)立的泊松分布，到達(dá)率分別為和；服務(wù)時(shí)長(zhǎng)都符合互為獨(dú)立的負(fù)指數(shù)分布，均值分別為1/μ和1/μ。對(duì)于該過程，可以用一個(gè)三維連續(xù)時(shí)間Markov過程來描述。

使用狀態(tài)向量(,,)表示該過程的某一狀態(tài)，其中，為系統(tǒng)中的次用戶數(shù)；為主用戶數(shù)；為隊(duì)列中次用戶數(shù)。則全部狀態(tài)集：

(1)當(dāng)次用戶到達(dá)時(shí)，若0≤+<，則在空閑的子信道中為新到達(dá)的次用戶分配一個(gè)信道；若≤+≤, 0≤<，則新到達(dá)的次用戶在隊(duì)列中等待；若≤+≤,=，則系統(tǒng)拒絕接納該次用戶，該用戶被堵塞。

(2)當(dāng)次用戶服務(wù)完成離開系統(tǒng)時(shí)，若0≤1+<, 0<≤，則分配釋放的子信道給正在排隊(duì)的次用戶使用；若≤1+≤, 0<≤，則排隊(duì)的次用戶繼續(xù)在隊(duì)列中等候。

(3)當(dāng)主用戶到達(dá)時(shí)，若0≤+≤(1)，則在個(gè)授權(quán)信道中，任取一個(gè)空閑授權(quán)信道給該主用戶，如果該信道劃分的子信道中有正在服務(wù)的次用戶，把次用戶切換到其他空閑可用的子信道上；若(1)<+≤,<，則任取一個(gè)空閑授權(quán)信道給該主用戶，把該信道劃分的子信道中正在服務(wù)的部分次用戶切換到其他空閑的子信道中，剩下的(+(1))個(gè)次用戶被終止；若=，則該主用戶被堵塞。

(4)當(dāng)主用戶服務(wù)完成離開系統(tǒng)時(shí)，若0<≤，則有min(,)個(gè)次用戶從隊(duì)列中刪除，使用空閑可用的子信道。

2.2 性能分析

由于為切換的次用戶預(yù)留的信道不能很多，因此本文設(shè)預(yù)留信道數(shù)≤，對(duì)于每個(gè)狀態(tài)，可以采用的是流量守恒原則，令流入速率=流出速率，即可寫出每個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡方程。

(1)當(dāng)+≤(1),=0時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 i+jN≤N(M–1), k=0時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

(2)當(dāng)(1)<+≤,=0時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

(3)當(dāng)+=, 0≤≤時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4 所示。

(4)當(dāng)–<+<, 0≤≤時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。

(5)當(dāng)+=, 0≤≤時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。

利用正則性條件：

即可通過求解線性方程得出各個(gè)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)解。當(dāng)+≥和=時(shí)，次用戶被堵塞；當(dāng)–1<+≤時(shí)，的被迫終止數(shù)是(+–(–1))。那么次用戶的擁塞率P和被迫終止率P分別為：

當(dāng)次用戶被堵塞或者被迫終止時(shí)，次用戶的服務(wù)沒有被完成；而次用戶的吞吐量是由次用戶的不能完成率和次用戶的服務(wù)完成所持續(xù)的時(shí)間決定的。次用戶的沒有完成概率P和吞吐量為：

平均隊(duì)列長(zhǎng)度和隊(duì)列擁塞的可能性p為：

隊(duì)列中次用戶的平均等待時(shí)延為：

3 仿真結(jié)果與分析

本文采用Matlab進(jìn)行仿真，系統(tǒng)模型如圖1所示。=3，=5，次用戶的到達(dá)率為2個(gè)/s，平均服務(wù)時(shí)間1/μ為0.5 s；主用戶的平均服務(wù)時(shí)間1/μ為1 s，主用戶每秒的到達(dá)率為0.3~1.0，本文將分析比較在不同的預(yù)留信道數(shù)和不同的的隊(duì)列容量的情況下次用戶的性能。

主用戶到達(dá)率與次用戶被迫終止率以及擁塞率之間的關(guān)系如圖7和圖8所示。

圖7 主用戶到達(dá)率與次用戶被迫終止率之間的關(guān)系

圖8 主用戶到達(dá)率與次用戶擁塞率之間的關(guān)系

可以看出，當(dāng)預(yù)留信道數(shù)相同時(shí)，隨著隊(duì)列緩沖器容量的增大，次用戶擁塞率降低，被迫終止率增加，這是由于隊(duì)列緩沖器雖然對(duì)新到達(dá)的次用戶造成一定的時(shí)延，但可以使新到達(dá)的次用戶不立即堵塞，降低了次用戶的擁塞率；但從緩沖器中釋放的次用戶，可能因主用戶的到達(dá)，使用的子信道被搶占，沒有空閑可用的子信道被迫終止，被迫終止率增加。隊(duì)列緩沖器容量相同時(shí)，隨著預(yù)留信道數(shù)的增加，被迫終止率降低，堵塞率增加，這是由于為切換的次用戶預(yù)留信道，新到達(dá)的次用戶可以使用的子信道數(shù)減少，導(dǎo)致次用戶的被迫終止率下降，擁塞率增加。

主用戶到達(dá)率與次用戶不能完成率之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 主用戶到達(dá)率與次用戶不能完成率之間的關(guān)系

可以看出，本文采用的預(yù)留信道和排隊(duì)相結(jié)合的信道分配方案的性能是最優(yōu)的，與僅預(yù)留信道方案和僅使用隊(duì)列緩沖器相比，次用戶的不能完成率有了明顯的下降。

主用戶到達(dá)率與次用戶平均吞吐量之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 主用戶到達(dá)率與次用戶平均吞吐量之間的關(guān)系

可以看出，隊(duì)列緩沖器容量越大，預(yù)留的信道數(shù)越少，次用戶的平均吞吐量越大，但本文方案(=3,=5)中，對(duì)次用戶平均吞吐量影響很小。

主用戶到達(dá)率與次用戶平均延遲之間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 主用戶到達(dá)率與次用戶平均延遲之間的關(guān)系

可以看出，次用戶的平均延遲與隊(duì)列的容量和預(yù)留的信道數(shù)有關(guān)，但由于隊(duì)列長(zhǎng)度較小，次用戶的平均延遲很小，最大延遲為0.163s。

4 結(jié)束語

本文提出一種保護(hù)信道和排隊(duì)相結(jié)合的信道分配策略。該策略對(duì)新到達(dá)的次用戶和切換的次用戶采用不同的處理措施：為切換的次用戶預(yù)留信道，雖然增加了次用戶的擁塞率，但降低了次用戶的被迫終止率；為新到達(dá)的次用戶采用排隊(duì)策略，當(dāng)新的次用戶到達(dá)而系統(tǒng)中沒有可用的子信道時(shí)，可以在隊(duì)列中等待一段時(shí)間，如果有用戶離開，隊(duì)列中的次用戶可以按照一定的次序接受服務(wù)，防止了次用戶的擁塞率惡化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)次用戶的擁塞率和被迫終止率影響不大的情況下，該策略有效地降低了系統(tǒng)的總體失敗率，但本文并沒有考慮次用戶的優(yōu)先級(jí)問題，次用戶的優(yōu)先級(jí)問題是下一步的研究方向。

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編輯 金胡考

Dynamic Spectrum Allocation Based on Cognitive Radio Network

WANG Zhong-wei1, JIA Zhen-hong1, QIN Xi-zhong1, XIA Xiao-yan2, DENG Lei2

(1. School of Information Science and Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2. Subsidiary Company of China Mobile in Xinjiang, Urumqi 830063, China)

Aiming at the problem of the growing contradiction between demand and supply of spectrum in wireless communications, this paper does further research on dynamic spectrum assignment based on Cognitive Radio Network(CRN), and presents a dynamic channel allocation strategy combining guard channel with queuing. In the case without affecting primary user’s services, because of arrival of primary user, the scheme provides reserved channels for handover secondary users, and queuing strategy is adopted for new arrival secondary users. When there is departure of ongoing primary user or secondary user, secondary users in queue can use idle available sub-channels according to priority-ranked. Compared with only reserving guard channel and only using queue buffer, the strategy has a small impact on secondary user average throughout and average delaying, and effectively reduces overall system failure rate and improves the performance of the system.

Cognitive Radio Network(CRN); dynamic spectrum access; blocking probability; channel reservation; Markov model

1000-3428(2014)03-0127-05

A

TP393

中國(guó)移動(dòng)新疆分公司研究發(fā)展基金資助項(xiàng)目(xjm2011-1)。

王中偉(1986－)，男，碩士研究生，主研方向：移動(dòng)通信，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；賈振紅(通訊作者)，教授、博士生導(dǎo)師；覃錫忠，副教授；夏曉燕、鄧 磊，高級(jí)工程師。

2012-11-30

2013-04-17 E-mail：zhongwei91862121@163.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.026