認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中改進(jìn)的拓?fù)淇刂扑惴?/h1>
2015-10-17 01:34:05葉明杰
電子科技 2015年5期
葉明杰
(西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710071)
認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中改進(jìn)的拓?fù)淇刂扑惴?/p>
葉明杰
(西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710071)
在對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道分配時(shí),網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣研浴?duì)主用戶的干擾和認(rèn)知用戶之間的干擾是衡量網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。文中在假設(shè)信道占用時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布的前提下,提出了一個(gè)權(quán)衡對(duì)主用戶干擾和認(rèn)知用戶之間干擾的參數(shù),并結(jié)合健壯的拓?fù)淇刂扑惴?給出了一種改進(jìn)的拓?fù)淇刂扑惴?。仿真結(jié)果表明,ITCA比CRTCA在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上有所增加,沖突率有所降低。
認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò);CRTCA;信道分配;信道占用時(shí)間;ITCA;吞吐量;沖突率
在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,主用戶具有使用授權(quán)頻段的絕對(duì)優(yōu)先權(quán),次級(jí)用戶周期性檢測(cè)頻譜空穴。當(dāng)次級(jí)用戶檢測(cè)到某段頻譜沒有被主用戶占用,就以機(jī)會(huì)方式接入該段頻譜。一旦檢測(cè)到主用戶重新接入該頻段,次級(jí)用戶就必須退出該段頻譜,檢測(cè)其它可用頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[1-2]。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,次級(jí)用戶如何在不干擾主用戶的正常通信,或?qū)χ饔脩舻母蓴_滿足干擾溫度限制的情況下,共享頻譜資源和優(yōu)化頻譜使用的問題,是提高頻譜利用效率的關(guān)鍵。次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中一般有多個(gè)次級(jí)用戶去競(jìng)爭(zhēng)有限的頻譜資源,因此,合理的分配頻譜十分重要。頻譜分配算法的優(yōu)劣直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。
分配頻譜時(shí),先把一段頻譜劃分為不同頻率的信道,信道劃分采用OFDM機(jī)制,即不同信道相互正交。在不同的信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是不存在干擾的,但由于主用戶的活動(dòng)區(qū)域遠(yuǎn)比次級(jí)用戶的活動(dòng)區(qū)域大,因此當(dāng)主用戶接入到次級(jí)網(wǎng)絡(luò)正在使用的某段頻譜時(shí),會(huì)影響一些鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí),受到影響的節(jié)點(diǎn)需要重新尋找可用頻譜,然后進(jìn)行頻譜切換,這就造成了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和吞吐量的降低。單個(gè)節(jié)點(diǎn)做出信道調(diào)整后會(huì)迫使其鄰居節(jié)點(diǎn)做出信道調(diào)整,進(jìn)而會(huì)引起一系列的連鎖反應(yīng),導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。由于主用戶出現(xiàn)在哪個(gè)信道上是不可預(yù)測(cè)的,造成這些問題的處理困難。
假定次級(jí)用戶裝配有一定個(gè)數(shù)具有半雙工通信能力的無線收發(fā)器,即一個(gè)收發(fā)器具備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能,但發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行,并且一個(gè)收發(fā)器某一時(shí)刻只能使用一個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。文獻(xiàn)[3]研究一個(gè)次級(jí)用戶只裝備一個(gè)無線電接口的模型,如果一旦主用戶接入當(dāng)前次級(jí)用戶正在使用的信道,那么次級(jí)用戶的數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)中斷,這樣整個(gè)次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的性能會(huì)很差。有的文獻(xiàn)中假設(shè)主用戶的活動(dòng)是可預(yù)測(cè)的[4],或者前瞻性的在主用戶接入信道前進(jìn)行信道的切換。但是這些假設(shè)在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中是難以獲得的。文獻(xiàn)[5]研究了局部信息和全局信息下的網(wǎng)絡(luò)的平均性能,提出了當(dāng)節(jié)點(diǎn)移除或者加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的分布式信道分配算法。實(shí)驗(yàn)研究表明,信道切換能造成平均高達(dá)3%的丟包率。所以次級(jí)用戶必須采取可靠的策略選擇有利于自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺?盡可能避免或者減少信道切換。以下考慮一個(gè)次級(jí)用戶裝配多個(gè)無線電接口。文獻(xiàn)[6]中定理一表明,若每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有兩個(gè)無線電接口,則存在一個(gè)滿足拓?fù)浣研缘男诺婪峙洹Ｒ虼?一旦主用戶接入某段鏈路上正在使用的信道,源節(jié)點(diǎn)還可以利用未被占用的信道通過其他路徑向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是,由于硬件條件的限制,給次級(jí)用戶裝配收發(fā)器需要花費(fèi)一定的費(fèi)用,并且在有限的頻譜資源下,次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的性能并不一定會(huì)隨收發(fā)器的個(gè)數(shù)線性增加,所以需要權(quán)衡次級(jí)用戶收發(fā)器的個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[6]基于構(gòu)建健壯穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和最小化信道干擾提出了健壯的拓?fù)淇刂扑惴?CRTCA),這種方法無需假設(shè)主用戶的活動(dòng)可預(yù)測(cè),在主用戶接入某信道時(shí),次級(jí)用戶可以在另一條不受影響的路徑上繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。但該方法沒有考慮主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間,信道分配法則只是從當(dāng)前可用信道上選擇將使用次數(shù)最少的信道分配給相應(yīng)節(jié)點(diǎn),這樣就可能造成將主用戶頻繁使用的信道分配給了次級(jí)用戶,從而增加主用戶和次級(jí)用戶之間碰撞,出現(xiàn)干擾;也會(huì)導(dǎo)致次級(jí)用戶頻繁地切換信道,而增加時(shí)延,降低了系統(tǒng)的吞吐量。將在次級(jí)用戶之間的干擾和次級(jí)用戶與主用戶之間的干擾做出權(quán)衡,給出一種遵循“優(yōu)質(zhì)頻譜多分配,劣質(zhì)頻譜少分配”原則的改進(jìn)的拓?fù)淇刂扑惴?Improved Topology Control Algorithm,ITCA)。
1 模型
信道分配模型一般分為集中式和分布式兩種。集中式模型通過一個(gè)融合中心協(xié)調(diào)和管理次級(jí)用戶對(duì)空閑信道的使用。融合中心收集次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)用戶的感知信息,建立可用頻譜庫,以實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的信道分配。分布式模型中,次級(jí)用戶只對(duì)其周圍的主用戶信道進(jìn)行檢測(cè),通過鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)通信,雖然比集中式靈活,但是由于陰影效應(yīng),多徑效應(yīng),隱藏終端等問題的影響,使得其性能受到很大的限制。采用的模型是集中式的信道分配模型。主用戶隨機(jī)接入授權(quán)信道,并且一次接入只占用一個(gè)授權(quán)信道。次級(jí)用戶周期性的感知信道狀態(tài),并把感知信息發(fā)送給融合中心,由融合中心判定信道是否可用,然后次級(jí)用戶機(jī)會(huì)式的接入信道。
授權(quán)信道狀態(tài)一般是有兩個(gè)狀態(tài)的馬爾科夫鏈模型,即信道具有空閑和忙碌兩種狀態(tài)?？臻e狀態(tài)是指當(dāng)前信道沒有被主用戶占用,可以被次級(jí)用戶利用進(jìn)行次級(jí)數(shù)據(jù)傳輸。忙碌狀態(tài)是指當(dāng)前信道正在被主用戶占用,次級(jí)用戶無權(quán)使用該信道。當(dāng)次級(jí)用戶接入的空閑信道轉(zhuǎn)為繁忙時(shí),若次級(jí)用戶不能及時(shí)檢測(cè)到并避讓時(shí),就會(huì)與主用戶發(fā)生沖突。
定義信道i的可利用率為:信道空閑狀態(tài)平均持續(xù)時(shí)間和信道空閑狀態(tài)與信道平均繁忙狀態(tài)之和的比值。則有
(1)
CRTCA信道選擇算法,是從分配給當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信道中選取使用次數(shù)最少的那個(gè)信道,以減少次級(jí)用戶之間的干擾,但是算法沒有考慮主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間,結(jié)果可能會(huì)選出主用戶頻繁使用的信道,即Ui較小的信道,這會(huì)導(dǎo)致次級(jí)用戶進(jìn)行頻繁的信道切換,造成數(shù)據(jù)包丟失,網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。但是如果只考慮信道的可利用率,則可利用率較大的信道被選取的次數(shù)也會(huì)很大,造成分配相同信道的幾率增加,同時(shí)也增大了次級(jí)用戶傳輸間的干擾。接下來我們定義了一個(gè)指標(biāo)-次級(jí)用戶干擾系數(shù),然后結(jié)合信道占用時(shí)間,提出了一個(gè)新的信道接入標(biāo)準(zhǔn)。不同的α值,即是在主用戶和次級(jí)用戶之間的干擾與次級(jí)用戶和次級(jí)用戶之間的干擾做出權(quán)衡,提出了ITCA信道分配策略。
定義次級(jí)信道干擾系數(shù)為,當(dāng)前信道被分配的次數(shù)與當(dāng)前所有可用信道被分配總次數(shù)的比值。
設(shè)si為當(dāng)前信道i被分配的次數(shù),則信道i的次級(jí)信道干擾系數(shù)為
(2)
一般Ui越大,信道就越適合接入;Ri越小,信道就越適合接入。綜合這兩方面,定義信道i的接入概率為
pi=αUi+(1-α)(1-Ri)
(3)
其中,α為信道接入?yún)?shù),該參數(shù)的選取與具體的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)相關(guān),有些業(yè)務(wù)要求次級(jí)用戶傳輸之間的干擾要盡量小,此時(shí)α取值就盡量小;有的要求傳輸過程中要盡量減小對(duì)主用戶的干擾,這時(shí)就要求α取值盡量大。所要分配的信道就從使得pi最大的信道集合里選。
次級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)健壯的拓?fù)淇刂扑惴?
1:給定干擾半徑,傳輸半徑,并在限定區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成節(jié)點(diǎn),建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G(V,E),其中V是節(jié)點(diǎn)集,E是邊集
2:計(jì)算每一條邊干擾區(qū)域內(nèi)共有的邊的個(gè)數(shù)p(e),e∈E。(一條邊的干擾區(qū)域是指以該邊兩個(gè)端點(diǎn)為圓心,以干擾半徑為半徑的的兩個(gè)圓的并集。若一條邊中只要有一個(gè)點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi),則認(rèn)為此邊在干擾區(qū)域內(nèi))
3:將p(e)按照降序排列
4:for每一條邊e∈E
5:按照排序好的p(e)為邊e分配信道(具體分配見ITCA信道分配法則)并把邊e壓入到隊(duì)列LQ里
6:while隊(duì)列LQ不空
7:按順序彈出隊(duì)列中元素賦值給e′
8:對(duì)該邊進(jìn)行連通性測(cè)試(即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是否可以通過其他分配好信道的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸)
9:若不連通,重新為該邊分配一個(gè)新的信道c(具體分配見ITCA信道分配法則)
10:endwhile
11:endfor
12:若節(jié)點(diǎn)還有未分配信道的無線電接口,則為其分配其鄰居節(jié)點(diǎn)中使得pi最大的信道。
ITCA信道分配法則(e=(u,v)):在t0時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜感知,將感知信息傳遞給融合中心,由融合中心獲取當(dāng)前可用信道集合為C。每隔時(shí)間T,節(jié)點(diǎn)重新感知信道,更新信道集合,重新構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并重新按照下面法則分配信道。
2:從C里選出使得pi最大的信道賦值給c
3:A(u):=A(u)∪c,A(v):=A(v)∪c
4:end
7:end
8:ifA(u)∩A(v)≠Φ
9:從A(u)∩A(v)里選出使得pi最大的信道賦值給c
10:end
12:從A(u)∩A(v)里選出使得pi最大的信道賦值給c(如果有多個(gè)信道的pi都相同,則選擇下標(biāo)最小的那個(gè)信道)
13:從A(v)中選取使得pi最小的信道賦值給c′{假設(shè)c∈A(u)}
14:把A(v)中的c′調(diào)整為c
15:for對(duì)于每一條先前已分配信道c′的邊e′=(v,w)
16:ifA(v)∩A(w)=Φ
17:把e′壓入隊(duì)列LQ中
18:把A(w)中的c′調(diào)整為c{對(duì)節(jié)點(diǎn)w的滿足條件的鄰居節(jié)點(diǎn)的A(ω)也需要進(jìn)行此調(diào)整,這是一個(gè)遞歸的過程}
19:end
20:end
21:end
2 仿真分析
2.1 基本假設(shè)
(1)主用戶在某一時(shí)隙內(nèi)只占用一個(gè)信道。(2)次級(jí)用戶的一個(gè)無線電接口某一時(shí)隙內(nèi)只能占用一個(gè)信道,在該信道上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送不能同時(shí)進(jìn)行。(3)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取,路徑的選擇以該路徑上所有信道的Ri之和最小為準(zhǔn)。
仿真參數(shù)設(shè)置:仿真區(qū)域?yàn)?00m×900m隨機(jī)放置25個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)傳輸半徑為250m,干擾半徑為500m,λi和μi在[3,20]之間隨機(jī)選取,單位s-1。更新信道狀態(tài)時(shí)間T=100ms,感知時(shí)間t=10ms。每個(gè)信道的最大傳輸速率相同,設(shè)為BMbit·s-1,每個(gè)用戶無線電接口的個(gè)數(shù)相同,設(shè)為Q,網(wǎng)絡(luò)流的集合設(shè)為F(F={f1,f2,…,fk}),k是網(wǎng)絡(luò)流的個(gè)數(shù)。每個(gè)流的流速為1Mbit·s-1,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)流遵循最短干擾路徑傳輸。以下網(wǎng)絡(luò)性能衡量值為隨機(jī)生成1 000次拓?fù)渌媒Y(jié)果的平均值。
2.2 網(wǎng)絡(luò)性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)
(1)網(wǎng)絡(luò)吞吐量[8]。單位時(shí)間內(nèi)次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中所有可行鏈路上的數(shù)據(jù)量之和。
(2)沖突率。主用戶接入信道時(shí),次級(jí)用戶與主用戶發(fā)生沖突的次數(shù)(即當(dāng)前次級(jí)用戶正在使用的信道與主戶接入的信道為同一信道)與主用戶接入信道總次數(shù)的比值(每次感知后,更新信道集合,若該集合與上一時(shí)刻集合保持一致,則主用戶接入信道次數(shù)不變,若不一致,則主用戶接入信道次數(shù)加1)。
權(quán)衡信道可用率Ui和信道干擾系數(shù)Ri這兩個(gè)指標(biāo),定義了信道接入的變量。在不同α值時(shí),得到如下的仿真關(guān)系圖。
如圖1所示,當(dāng)信道個(gè)數(shù)較少時(shí),會(huì)導(dǎo)致不同鏈路分配到同一信道的概率增加,這樣當(dāng)主用戶接入某信道時(shí),會(huì)影響很多鏈路的數(shù)據(jù)傳輸,并且次級(jí)用戶之間同信道干擾的概率也會(huì)增加,這都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量的降低。隨著信道的增加,這兩個(gè)概率都會(huì)減少,網(wǎng)絡(luò)吞吐量則會(huì)相應(yīng)的增加。ITCA考慮了主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間,選擇信道時(shí)降低了主用戶和次級(jí)用戶之間的干擾,一定程度上增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。并且α越大,信道占用時(shí)間占得比重越大,所以可以更快的達(dá)到最大吞吐量。
圖1 吞吐量隨信道個(gè)數(shù)的變化圖(k=2,Q=2,B=2)
如圖2所示,在相同的信道個(gè)數(shù)下,隨著α的增加,沖突率減少。這是因?yàn)殡S著α的增加,信道占用時(shí)間在信道接入概率中的比重增加,而干擾系數(shù)的比重則降低,這就會(huì)導(dǎo)致次級(jí)用戶與主用戶的碰撞減少,而次級(jí)用戶之間的同信道干擾則會(huì)增加。在相同的α值下,隨著信道個(gè)數(shù)的增加,沖突率會(huì)減少并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榭捎眯诺赖馁Y源不斷增加,使次級(jí)用戶信道的分配有了更多選擇,干擾區(qū)域內(nèi)被分配到相同信道的概率會(huì)減小,所以沖突率會(huì)降低。當(dāng)信道個(gè)數(shù)很多時(shí),只需要其中的若干個(gè)信道已經(jīng)可以保證次級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)的健壯拓?fù)?所以在增加信道個(gè)數(shù)也不會(huì)引起沖突率的較大變化[9-12]。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,可以根據(jù)要傳輸業(yè)務(wù)對(duì)沖突和干擾的敏感性,自適應(yīng)地選取合適的α值。
圖2 沖突率隨信道個(gè)數(shù)的變化(k=2,Q=2,B=2)
3 結(jié)束語
本文研究了多接口多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道分配問題。通過假設(shè)主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間服從指數(shù)分布,綜合信道可利用率Ui和信道干擾系數(shù)Ri兩個(gè)指標(biāo),提出了ITCA算法。該方法在增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低主用戶與次級(jí)用戶沖突率的性能上均優(yōu)于CRTCA算法。
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An Improved Topology Control Algorithm in Cognitive Radio Networks
YE Mingjie
(School of Mathematics and Statistics,Xidian University,Xi’an 710071,China)
The robust network topology,the interference to primary users and the interference among secondary users are important indicators to measure network performance in channel assignment of cognitive radio networks.By assuming that the channel occupancy time is negatively exponentially distributed,an indicator which makes a tradeoff between the interference to primary users and the interference among secondary users is given.Then,we propose an improved topology control algorithm based on the channel selection criteria of central robust topology algorithm.Simulation results show that the ITCA which makes a tradeoff between the interference to primary users and the interference among secondary users is bigger in throughput and lower in collision rate than CRTCA.
cognitive radio networks;CRTCA;channel assignment;channel occupancy time;ITCA;throughput;collision rate
2014- 10- 21
葉明杰(1988—),男,碩士研究生。研究方向:認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的健壯拓?fù)錁?gòu)建和頻譜資源分配。E-mail:yemingjie2008@126.com
10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.004
TN926
A
1007-7820(2015)05-013-04
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葉明杰
(西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710071)
認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中改進(jìn)的拓?fù)淇刂扑惴?/p>
葉明杰
(西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710071)
在對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道分配時(shí),網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣研浴?duì)主用戶的干擾和認(rèn)知用戶之間的干擾是衡量網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。文中在假設(shè)信道占用時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布的前提下,提出了一個(gè)權(quán)衡對(duì)主用戶干擾和認(rèn)知用戶之間干擾的參數(shù),并結(jié)合健壯的拓?fù)淇刂扑惴?給出了一種改進(jìn)的拓?fù)淇刂扑惴?。仿真結(jié)果表明,ITCA比CRTCA在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上有所增加,沖突率有所降低。
認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò);CRTCA;信道分配;信道占用時(shí)間;ITCA;吞吐量;沖突率
在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,主用戶具有使用授權(quán)頻段的絕對(duì)優(yōu)先權(quán),次級(jí)用戶周期性檢測(cè)頻譜空穴。當(dāng)次級(jí)用戶檢測(cè)到某段頻譜沒有被主用戶占用,就以機(jī)會(huì)方式接入該段頻譜。一旦檢測(cè)到主用戶重新接入該頻段,次級(jí)用戶就必須退出該段頻譜,檢測(cè)其它可用頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[1-2]。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,次級(jí)用戶如何在不干擾主用戶的正常通信,或?qū)χ饔脩舻母蓴_滿足干擾溫度限制的情況下,共享頻譜資源和優(yōu)化頻譜使用的問題,是提高頻譜利用效率的關(guān)鍵。次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中一般有多個(gè)次級(jí)用戶去競(jìng)爭(zhēng)有限的頻譜資源,因此,合理的分配頻譜十分重要。頻譜分配算法的優(yōu)劣直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。
分配頻譜時(shí),先把一段頻譜劃分為不同頻率的信道,信道劃分采用OFDM機(jī)制,即不同信道相互正交。在不同的信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是不存在干擾的,但由于主用戶的活動(dòng)區(qū)域遠(yuǎn)比次級(jí)用戶的活動(dòng)區(qū)域大,因此當(dāng)主用戶接入到次級(jí)網(wǎng)絡(luò)正在使用的某段頻譜時(shí),會(huì)影響一些鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí),受到影響的節(jié)點(diǎn)需要重新尋找可用頻譜,然后進(jìn)行頻譜切換,這就造成了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和吞吐量的降低。單個(gè)節(jié)點(diǎn)做出信道調(diào)整后會(huì)迫使其鄰居節(jié)點(diǎn)做出信道調(diào)整,進(jìn)而會(huì)引起一系列的連鎖反應(yīng),導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。由于主用戶出現(xiàn)在哪個(gè)信道上是不可預(yù)測(cè)的,造成這些問題的處理困難。
假定次級(jí)用戶裝配有一定個(gè)數(shù)具有半雙工通信能力的無線收發(fā)器,即一個(gè)收發(fā)器具備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能,但發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行,并且一個(gè)收發(fā)器某一時(shí)刻只能使用一個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。文獻(xiàn)[3]研究一個(gè)次級(jí)用戶只裝備一個(gè)無線電接口的模型,如果一旦主用戶接入當(dāng)前次級(jí)用戶正在使用的信道,那么次級(jí)用戶的數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)中斷,這樣整個(gè)次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的性能會(huì)很差。有的文獻(xiàn)中假設(shè)主用戶的活動(dòng)是可預(yù)測(cè)的[4],或者前瞻性的在主用戶接入信道前進(jìn)行信道的切換。但是這些假設(shè)在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中是難以獲得的。文獻(xiàn)[5]研究了局部信息和全局信息下的網(wǎng)絡(luò)的平均性能,提出了當(dāng)節(jié)點(diǎn)移除或者加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的分布式信道分配算法。實(shí)驗(yàn)研究表明,信道切換能造成平均高達(dá)3%的丟包率。所以次級(jí)用戶必須采取可靠的策略選擇有利于自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺?盡可能避免或者減少信道切換。以下考慮一個(gè)次級(jí)用戶裝配多個(gè)無線電接口。文獻(xiàn)[6]中定理一表明,若每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有兩個(gè)無線電接口,則存在一個(gè)滿足拓?fù)浣研缘男诺婪峙洹Ｒ虼?一旦主用戶接入某段鏈路上正在使用的信道,源節(jié)點(diǎn)還可以利用未被占用的信道通過其他路徑向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是,由于硬件條件的限制,給次級(jí)用戶裝配收發(fā)器需要花費(fèi)一定的費(fèi)用,并且在有限的頻譜資源下,次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的性能并不一定會(huì)隨收發(fā)器的個(gè)數(shù)線性增加,所以需要權(quán)衡次級(jí)用戶收發(fā)器的個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[6]基于構(gòu)建健壯穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和最小化信道干擾提出了健壯的拓?fù)淇刂扑惴?CRTCA),這種方法無需假設(shè)主用戶的活動(dòng)可預(yù)測(cè),在主用戶接入某信道時(shí),次級(jí)用戶可以在另一條不受影響的路徑上繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。但該方法沒有考慮主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間,信道分配法則只是從當(dāng)前可用信道上選擇將使用次數(shù)最少的信道分配給相應(yīng)節(jié)點(diǎn),這樣就可能造成將主用戶頻繁使用的信道分配給了次級(jí)用戶,從而增加主用戶和次級(jí)用戶之間碰撞,出現(xiàn)干擾;也會(huì)導(dǎo)致次級(jí)用戶頻繁地切換信道,而增加時(shí)延,降低了系統(tǒng)的吞吐量。將在次級(jí)用戶之間的干擾和次級(jí)用戶與主用戶之間的干擾做出權(quán)衡,給出一種遵循“優(yōu)質(zhì)頻譜多分配,劣質(zhì)頻譜少分配”原則的改進(jìn)的拓?fù)淇刂扑惴?Improved Topology Control Algorithm,ITCA)。
1 模型
信道分配模型一般分為集中式和分布式兩種。集中式模型通過一個(gè)融合中心協(xié)調(diào)和管理次級(jí)用戶對(duì)空閑信道的使用。融合中心收集次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)用戶的感知信息,建立可用頻譜庫,以實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的信道分配。分布式模型中,次級(jí)用戶只對(duì)其周圍的主用戶信道進(jìn)行檢測(cè),通過鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)通信,雖然比集中式靈活,但是由于陰影效應(yīng),多徑效應(yīng),隱藏終端等問題的影響,使得其性能受到很大的限制。采用的模型是集中式的信道分配模型。主用戶隨機(jī)接入授權(quán)信道,并且一次接入只占用一個(gè)授權(quán)信道。次級(jí)用戶周期性的感知信道狀態(tài),并把感知信息發(fā)送給融合中心,由融合中心判定信道是否可用,然后次級(jí)用戶機(jī)會(huì)式的接入信道。
授權(quán)信道狀態(tài)一般是有兩個(gè)狀態(tài)的馬爾科夫鏈模型,即信道具有空閑和忙碌兩種狀態(tài)?？臻e狀態(tài)是指當(dāng)前信道沒有被主用戶占用,可以被次級(jí)用戶利用進(jìn)行次級(jí)數(shù)據(jù)傳輸。忙碌狀態(tài)是指當(dāng)前信道正在被主用戶占用,次級(jí)用戶無權(quán)使用該信道。當(dāng)次級(jí)用戶接入的空閑信道轉(zhuǎn)為繁忙時(shí),若次級(jí)用戶不能及時(shí)檢測(cè)到并避讓時(shí),就會(huì)與主用戶發(fā)生沖突。
定義信道i的可利用率為:信道空閑狀態(tài)平均持續(xù)時(shí)間和信道空閑狀態(tài)與信道平均繁忙狀態(tài)之和的比值。則有
(1)
CRTCA信道選擇算法,是從分配給當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信道中選取使用次數(shù)最少的那個(gè)信道,以減少次級(jí)用戶之間的干擾,但是算法沒有考慮主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間,結(jié)果可能會(huì)選出主用戶頻繁使用的信道,即Ui較小的信道,這會(huì)導(dǎo)致次級(jí)用戶進(jìn)行頻繁的信道切換,造成數(shù)據(jù)包丟失,網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。但是如果只考慮信道的可利用率,則可利用率較大的信道被選取的次數(shù)也會(huì)很大,造成分配相同信道的幾率增加,同時(shí)也增大了次級(jí)用戶傳輸間的干擾。接下來我們定義了一個(gè)指標(biāo)-次級(jí)用戶干擾系數(shù),然后結(jié)合信道占用時(shí)間,提出了一個(gè)新的信道接入標(biāo)準(zhǔn)。不同的α值,即是在主用戶和次級(jí)用戶之間的干擾與次級(jí)用戶和次級(jí)用戶之間的干擾做出權(quán)衡,提出了ITCA信道分配策略。
定義次級(jí)信道干擾系數(shù)為,當(dāng)前信道被分配的次數(shù)與當(dāng)前所有可用信道被分配總次數(shù)的比值。
設(shè)si為當(dāng)前信道i被分配的次數(shù),則信道i的次級(jí)信道干擾系數(shù)為
(2)
一般Ui越大,信道就越適合接入;Ri越小,信道就越適合接入。綜合這兩方面,定義信道i的接入概率為
pi=αUi+(1-α)(1-Ri)
(3)
其中,α為信道接入?yún)?shù),該參數(shù)的選取與具體的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)相關(guān),有些業(yè)務(wù)要求次級(jí)用戶傳輸之間的干擾要盡量小,此時(shí)α取值就盡量小;有的要求傳輸過程中要盡量減小對(duì)主用戶的干擾,這時(shí)就要求α取值盡量大。所要分配的信道就從使得pi最大的信道集合里選。
次級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)健壯的拓?fù)淇刂扑惴?
1:給定干擾半徑,傳輸半徑,并在限定區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成節(jié)點(diǎn),建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G(V,E),其中V是節(jié)點(diǎn)集,E是邊集
2:計(jì)算每一條邊干擾區(qū)域內(nèi)共有的邊的個(gè)數(shù)p(e),e∈E。(一條邊的干擾區(qū)域是指以該邊兩個(gè)端點(diǎn)為圓心,以干擾半徑為半徑的的兩個(gè)圓的并集。若一條邊中只要有一個(gè)點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi),則認(rèn)為此邊在干擾區(qū)域內(nèi))
3:將p(e)按照降序排列
4:for每一條邊e∈E
5:按照排序好的p(e)為邊e分配信道(具體分配見ITCA信道分配法則)并把邊e壓入到隊(duì)列LQ里
6:while隊(duì)列LQ不空
7:按順序彈出隊(duì)列中元素賦值給e′
8:對(duì)該邊進(jìn)行連通性測(cè)試(即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是否可以通過其他分配好信道的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸)
9:若不連通,重新為該邊分配一個(gè)新的信道c(具體分配見ITCA信道分配法則)
10:endwhile
11:endfor
12:若節(jié)點(diǎn)還有未分配信道的無線電接口,則為其分配其鄰居節(jié)點(diǎn)中使得pi最大的信道。
ITCA信道分配法則(e=(u,v)):在t0時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜感知,將感知信息傳遞給融合中心,由融合中心獲取當(dāng)前可用信道集合為C。每隔時(shí)間T,節(jié)點(diǎn)重新感知信道,更新信道集合,重新構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并重新按照下面法則分配信道。
2:從C里選出使得pi最大的信道賦值給c
3:A(u):=A(u)∪c,A(v):=A(v)∪c
4:end
7:end
8:ifA(u)∩A(v)≠Φ
9:從A(u)∩A(v)里選出使得pi最大的信道賦值給c
10:end
12:從A(u)∩A(v)里選出使得pi最大的信道賦值給c(如果有多個(gè)信道的pi都相同,則選擇下標(biāo)最小的那個(gè)信道)
13:從A(v)中選取使得pi最小的信道賦值給c′{假設(shè)c∈A(u)}
14:把A(v)中的c′調(diào)整為c
15:for對(duì)于每一條先前已分配信道c′的邊e′=(v,w)
16:ifA(v)∩A(w)=Φ
17:把e′壓入隊(duì)列LQ中
18:把A(w)中的c′調(diào)整為c{對(duì)節(jié)點(diǎn)w的滿足條件的鄰居節(jié)點(diǎn)的A(ω)也需要進(jìn)行此調(diào)整,這是一個(gè)遞歸的過程}
19:end
20:end
21:end
2 仿真分析
2.1 基本假設(shè)
(1)主用戶在某一時(shí)隙內(nèi)只占用一個(gè)信道。(2)次級(jí)用戶的一個(gè)無線電接口某一時(shí)隙內(nèi)只能占用一個(gè)信道,在該信道上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送不能同時(shí)進(jìn)行。(3)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取,路徑的選擇以該路徑上所有信道的Ri之和最小為準(zhǔn)。
仿真參數(shù)設(shè)置:仿真區(qū)域?yàn)?00m×900m隨機(jī)放置25個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)傳輸半徑為250m,干擾半徑為500m,λi和μi在[3,20]之間隨機(jī)選取,單位s-1。更新信道狀態(tài)時(shí)間T=100ms,感知時(shí)間t=10ms。每個(gè)信道的最大傳輸速率相同,設(shè)為BMbit·s-1,每個(gè)用戶無線電接口的個(gè)數(shù)相同,設(shè)為Q,網(wǎng)絡(luò)流的集合設(shè)為F(F={f1,f2,…,fk}),k是網(wǎng)絡(luò)流的個(gè)數(shù)。每個(gè)流的流速為1Mbit·s-1,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)流遵循最短干擾路徑傳輸。以下網(wǎng)絡(luò)性能衡量值為隨機(jī)生成1 000次拓?fù)渌媒Y(jié)果的平均值。
2.2 網(wǎng)絡(luò)性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)
(1)網(wǎng)絡(luò)吞吐量[8]。單位時(shí)間內(nèi)次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中所有可行鏈路上的數(shù)據(jù)量之和。
(2)沖突率。主用戶接入信道時(shí),次級(jí)用戶與主用戶發(fā)生沖突的次數(shù)(即當(dāng)前次級(jí)用戶正在使用的信道與主戶接入的信道為同一信道)與主用戶接入信道總次數(shù)的比值(每次感知后,更新信道集合,若該集合與上一時(shí)刻集合保持一致,則主用戶接入信道次數(shù)不變,若不一致,則主用戶接入信道次數(shù)加1)。
權(quán)衡信道可用率Ui和信道干擾系數(shù)Ri這兩個(gè)指標(biāo),定義了信道接入的變量。在不同α值時(shí),得到如下的仿真關(guān)系圖。
如圖1所示,當(dāng)信道個(gè)數(shù)較少時(shí),會(huì)導(dǎo)致不同鏈路分配到同一信道的概率增加,這樣當(dāng)主用戶接入某信道時(shí),會(huì)影響很多鏈路的數(shù)據(jù)傳輸,并且次級(jí)用戶之間同信道干擾的概率也會(huì)增加,這都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量的降低。隨著信道的增加,這兩個(gè)概率都會(huì)減少,網(wǎng)絡(luò)吞吐量則會(huì)相應(yīng)的增加。ITCA考慮了主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間,選擇信道時(shí)降低了主用戶和次級(jí)用戶之間的干擾,一定程度上增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。并且α越大,信道占用時(shí)間占得比重越大,所以可以更快的達(dá)到最大吞吐量。
圖1 吞吐量隨信道個(gè)數(shù)的變化圖(k=2,Q=2,B=2)
如圖2所示,在相同的信道個(gè)數(shù)下,隨著α的增加,沖突率減少。這是因?yàn)殡S著α的增加,信道占用時(shí)間在信道接入概率中的比重增加,而干擾系數(shù)的比重則降低,這就會(huì)導(dǎo)致次級(jí)用戶與主用戶的碰撞減少,而次級(jí)用戶之間的同信道干擾則會(huì)增加。在相同的α值下,隨著信道個(gè)數(shù)的增加,沖突率會(huì)減少并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榭捎眯诺赖馁Y源不斷增加,使次級(jí)用戶信道的分配有了更多選擇,干擾區(qū)域內(nèi)被分配到相同信道的概率會(huì)減小,所以沖突率會(huì)降低。當(dāng)信道個(gè)數(shù)很多時(shí),只需要其中的若干個(gè)信道已經(jīng)可以保證次級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)的健壯拓?fù)?所以在增加信道個(gè)數(shù)也不會(huì)引起沖突率的較大變化[9-12]。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,可以根據(jù)要傳輸業(yè)務(wù)對(duì)沖突和干擾的敏感性,自適應(yīng)地選取合適的α值。
圖2 沖突率隨信道個(gè)數(shù)的變化(k=2,Q=2,B=2)
3 結(jié)束語
本文研究了多接口多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道分配問題。通過假設(shè)主用戶對(duì)信道的占用時(shí)間服從指數(shù)分布,綜合信道可利用率Ui和信道干擾系數(shù)Ri兩個(gè)指標(biāo),提出了ITCA算法。該方法在增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低主用戶與次級(jí)用戶沖突率的性能上均優(yōu)于CRTCA算法。
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An Improved Topology Control Algorithm in Cognitive Radio Networks
YE Mingjie
(School of Mathematics and Statistics,Xidian University,Xi’an 710071,China)
The robust network topology,the interference to primary users and the interference among secondary users are important indicators to measure network performance in channel assignment of cognitive radio networks.By assuming that the channel occupancy time is negatively exponentially distributed,an indicator which makes a tradeoff between the interference to primary users and the interference among secondary users is given.Then,we propose an improved topology control algorithm based on the channel selection criteria of central robust topology algorithm.Simulation results show that the ITCA which makes a tradeoff between the interference to primary users and the interference among secondary users is bigger in throughput and lower in collision rate than CRTCA.
cognitive radio networks;CRTCA;channel assignment;channel occupancy time;ITCA;throughput;collision rate
2014- 10- 21
葉明杰(1988—),男,碩士研究生。研究方向:認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的健壯拓?fù)錁?gòu)建和頻譜資源分配。E-mail:yemingjie2008@126.com
10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.004
TN926
A
1007-7820(2015)05-013-04
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