倪國英,,,,

(1.新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,烏魯木齊 830046;2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)新疆有限公司 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控部,烏魯木齊 830046)

0 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,無線通信需求迅速擴(kuò)張,由此導(dǎo)致頻譜資源越來越匱乏,能量消耗不斷增加。目前,信息通信技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)占全球能源消耗的3%以上,造成全球二氧化碳排放量超過5%[1]。在多數(shù)情況下,使用認(rèn)知多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)網(wǎng)絡(luò)可以更充分地利用空閑頻譜資源,但其會(huì)產(chǎn)生更高的能量消耗。因此,在多用戶認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)網(wǎng)絡(luò)中[2-3],節(jié)能傳輸對(duì)減少碳排放和延長無線設(shè)備電池壽命至關(guān)重要[4-6]。如何降低網(wǎng)絡(luò)中的能耗是目前無線通信中面臨的重要問題之一。

近年來,針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的能耗問題已有大量研究。其中,文獻(xiàn)[7-10]將認(rèn)知無線網(wǎng)與MIMO等技術(shù)相結(jié)合,有效地解決了低能效的問題。文獻(xiàn)[7]針對(duì)多用戶大規(guī)模多輸入多輸出移動(dòng)通信上行系統(tǒng),提出一種基于能效優(yōu)化的資源分配算法,其在滿足用戶數(shù)據(jù)速率和可容忍的干擾水平約束條件下,能夠最大化系統(tǒng)能效。文獻(xiàn)[8]針對(duì)發(fā)射機(jī)擁有不完全信道狀態(tài)信息的情況,研究魯棒的波束形成以提高無線網(wǎng)絡(luò)的能效,其分?jǐn)?shù)形式的數(shù)學(xué)模型是非凸的,利用半定規(guī)劃(Semidefinite Programming,SDP)松弛將其轉(zhuǎn)化為凸問題后再進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[9]在認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)中,次用戶不干擾主用戶,且在滿足速率要求傳輸波束矢量的情況下,通過分解方法將系統(tǒng)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化成關(guān)于時(shí)間項(xiàng)的凸優(yōu)化問題,然后分配時(shí)間資源以提高能效。但文獻(xiàn)[9]主要針對(duì)單數(shù)據(jù)流的情況,在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[10]改用多數(shù)據(jù)流,次用戶通過TDMA的方式串行地接入同一個(gè)時(shí)間周期,然后結(jié)合貪婪算法提出“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法,該方法可以為次用戶分配最佳時(shí)間資源,減少對(duì)主用戶的干擾并降低認(rèn)知系統(tǒng)的能耗。在襯底模型下,主用戶和次用戶共存并相互干擾,TDMA的接入可大幅降低次用戶間的干擾。目前,已有方法只是利用傳統(tǒng)的TDMA技術(shù)對(duì)時(shí)間資源進(jìn)行串行劃分,即使在襯底模型下,也只是一個(gè)認(rèn)知用戶與主用戶在共享資源。盡管該類技術(shù)和方法能夠有效解決系統(tǒng)能耗過高的問題,但仍不能讓多個(gè)認(rèn)知用戶同時(shí)共享相同的資源。

次用戶的能耗是關(guān)于時(shí)間的減函數(shù),充分利用時(shí)間資源可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗[10]。CDMA技術(shù)能夠使多個(gè)認(rèn)知用戶通過正交編碼來相互無干擾地占用相同的信道資源[11-12]。因此,本文提出基于認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間復(fù)用-碼分多址(Time Division Multiplexing-Code Division Multiple Access,TDM-CDMA)技術(shù),進(jìn)而提出“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法。首先,建立系統(tǒng)模型,利用注水算法和SDP松弛將該模型的非凸問題轉(zhuǎn)化為關(guān)于時(shí)間的凸優(yōu)化問題;然后,利用TDM-CDMA技術(shù)和貪婪算法將時(shí)間資源進(jìn)行最小初始化分配和最佳時(shí)間分配;最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

1 系統(tǒng)模型

在襯底模型下,主用戶鏈路被默認(rèn)始終處于活躍中,并保證優(yōu)先通信。設(shè)主用戶網(wǎng)由J對(duì)收發(fā)器組成,認(rèn)知系統(tǒng)共有K個(gè)次用戶,且是個(gè)單蜂窩網(wǎng),其中,所有次用戶的上行鏈路通過TDMA發(fā)送到同一個(gè)認(rèn)知基站。次用戶的上行鏈路傳輸同步于認(rèn)知基站,這能夠使次用戶分配在相互無干擾的時(shí)間槽中傳輸。主用戶和次用戶在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中共存,它們的信號(hào)會(huì)相互干擾。利用TDM-CDMA技術(shù)時(shí),本文以雙正交碼為例,即每M(M=8)個(gè)次用戶為一組(若K不是M的倍數(shù),將K除以M后剩余的次用戶為一組),總共L組。在TDM-CDMA技術(shù)的系統(tǒng)模型中,Sl,m表示第l組次用戶中第m個(gè)次用戶,pj表示第j個(gè)主用戶。在MIMO網(wǎng)絡(luò)中,MSl,m表示Sl,m的發(fā)射天線數(shù),NBS表示認(rèn)知基站的接收天線數(shù),Mpj和Npj分別表示主用戶pj的發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)。假設(shè)有帶寬w相同、頻率平坦的塊衰落信道,則在一幀中信道矩陣不改變,且不同幀的信道松弛不相關(guān)。

認(rèn)知基站處于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的中心位置,認(rèn)知基站能夠評(píng)估次用戶到認(rèn)知基站的信道矩陣HBS,Sl,m,且將每個(gè)單獨(dú)的控制信道反饋給相應(yīng)的次用戶。因此,次用戶Sl,m和認(rèn)知基站均已知信道矩陣HBS,Sl,m。認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)中的場景分布如圖1所示,其中,主用戶分布在邊緣,次用戶隨機(jī)分布,認(rèn)知基站處于中心位置。

圖1 認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)場景分布

圖2所示為運(yùn)用TDM-CDMA技術(shù)時(shí)一組多個(gè)以雙正交碼編碼的認(rèn)知用戶在相同帶寬中同時(shí)傳輸信號(hào),即多個(gè)次用戶共享時(shí)間資源的原理示意圖。其中,縱坐標(biāo)表示一組中共享的次用戶個(gè)數(shù)，其利用CDMA擴(kuò)頻序列使多個(gè)用戶同時(shí)同頻下無干擾地傳輸數(shù)據(jù)；橫坐標(biāo)表示每組次用戶共享的時(shí)間片數(shù)。該圖原理為認(rèn)知用戶分組的核心原理。其中,在信號(hào)接收端使用MMSE-SIC技術(shù)[13]進(jìn)行高效解碼。

圖2 運(yùn)用TDM-CDMA技術(shù)時(shí)次用戶共享時(shí)間資源原理

在本文中,主用戶和次用戶均以多數(shù)據(jù)流傳輸。次用戶Sl,m的實(shí)際發(fā)射矢量為xSl,m∈CMSl,m×1,次用戶Sl,m的數(shù)據(jù)流數(shù)目為DSl,m,主用戶Pj的數(shù)據(jù)流數(shù)目為DPj。次用戶Sl,m從認(rèn)知基站接收到的信號(hào)矢量為:

l=1,2,…,L,m=1,2,…,M

其中,HBS,Sl,m∈CNBS×MSl,m和HBS,Sl,n∈CNBS×MSl,n分別為次用戶Sl,m和Sl,n到認(rèn)知基站的信道矩陣,HBS,Pj∈CNBS×NPj為主用戶Pj到認(rèn)知基站的信道矩陣,xPj∈CMPj×1為主用戶Pj的傳輸矢量,xSl,n∈CMSl,n×1為次用戶Sl,n的傳輸矢量,nBS為一個(gè)在認(rèn)知基站中噪聲功率為N0w且循環(huán)復(fù)雜的加性高斯噪聲,N0/2為噪聲功率頻譜密度。

假設(shè)認(rèn)知基站把接收到的主用戶干擾信號(hào)作為噪聲,且認(rèn)知基站無法連續(xù)消除干擾。在次用戶Sl,m傳輸時(shí),認(rèn)知基站的干擾加性噪聲協(xié)方差矩陣為:

其中,IBS為NBS×NBS單位矩陣,CSl,m為NBS×NBS維的Hermitian半正定矩陣,QSl,n∈CNSl,n×MSl,n和QPj∈CNPj×MPj分別為次用戶Sl,n和主用戶Pj的協(xié)方差矩陣,且均為Hermitian半正定矩陣。等式右邊的第二項(xiàng)為同組中其他次用戶的干擾,在TDM-CDMA技術(shù)下,通過正交編碼,次用戶互不影響地共享時(shí)間信道資源,則此項(xiàng)干擾可以忽略不計(jì)。根據(jù)香農(nóng)定理在MIMO鏈路中的公式可知,Sl,m可達(dá)到的傳輸速率為:

l=1,2,…,L,m=1,2,…,M

其中,傳輸速率rSl,m是次用戶Sl,m活躍的瞬時(shí)傳輸速率(單位為nat/s),QSl,m∈CNSl,m×MSl,m為次用戶Sl,m的協(xié)方差矩陣。根據(jù)帶寬(頻率)與碼元寬度的乘積為常數(shù),即w·τ=C(常數(shù))可知,使用CDMA的擴(kuò)頻序列技術(shù)時(shí),每個(gè)擴(kuò)頻碼的碼元寬度τc變?yōu)?τ。因此,傳輸擴(kuò)頻碼的帶寬wc降低了4倍,即wc=0.25w。次用戶Sl,m在所有天線上的總傳輸功率pSl,m=tr(QSl,m)。在網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)于主用戶而言,由于不能感知次用戶的存在,因此不能反饋信道狀態(tài)信息給次用戶,也不能減小其受到的干擾。為保證主用戶不被有害的干擾影響其通信服務(wù)質(zhì)量,需要限制次用戶對(duì)主用戶的干擾。次用戶Sl,m對(duì)主用戶Pj造成的總干擾功率為:

l=1,2,…,L,m=1,2,…,M,j=1,2,…,J

其中,HPj,Sl,m∈CNPj×MSl,m為主用戶Pj到次用戶Sl,m的信道矩陣。

2 問題規(guī)劃

2.1 系統(tǒng)問題規(guī)劃

本文的目的是給出次用戶的預(yù)編碼矩陣,并根據(jù)貪婪算法對(duì)次用戶分配合適的時(shí)間資源以最小化所有次用戶的總能耗,同時(shí)保證不超過主用戶的干擾閾值并滿足每個(gè)次用戶的最小服務(wù)質(zhì)量。保證主用戶受到次用戶的干擾低于某個(gè)閾值,能夠使主用戶不受干擾而進(jìn)行正常通信。對(duì)于每個(gè)次用戶,滿足最小服務(wù)質(zhì)量的最小速率閾值為RSl,m。次用戶的最小傳輸速率RSl,m(單位為nat/幀)是次用戶Sl,m在每幀中至少傳輸?shù)哪翁財(cái)?shù)。為減小數(shù)據(jù)的計(jì)算量,本文把認(rèn)知系統(tǒng)一幀的長度設(shè)為1,則次用戶Sl,m傳輸數(shù)據(jù)所分配的時(shí)間為tSl,m(0

?l,?m

(1)

tl=tSl,m,?l,?m

(3)

(4)

tr(QSl,m)≤PSl,m,max,?l,?m

(5)

tl≥0,?l

(6)

QSl,m≥0,?l,?m

(7)

在模型中,目標(biāo)函數(shù)是認(rèn)知系統(tǒng)中所有次用戶的總能耗;式(1)是每個(gè)次用戶的最低傳輸速率要求;式(2)表示所有次用戶組分配的總時(shí)間不超過一幀的長度;式(3)表示每個(gè)次用戶分配的時(shí)間資源與該組所分配的時(shí)間資源相等;式(4)為每個(gè)主用戶接收器天線上的干擾功率約束,其中,φPj表示主用戶受到的干擾閾值;式(5)為每個(gè)次用戶的總功率約束;式(6)表示每組次用戶所分配的時(shí)間非負(fù);式(7)表示次用戶Sl,m的協(xié)方差矩陣QSl,m為半正定矩陣。

對(duì)于該數(shù)學(xué)模型,其目標(biāo)函數(shù)和式(1)均是非凸問題,直接求解一般較困難。因此,本文利用SDP松弛使模型簡化為目標(biāo)函數(shù)只是關(guān)于時(shí)間變量的單調(diào)減函數(shù),且其在約束條件下是收斂的。

2.2 約束條件簡化

在統(tǒng)計(jì)的信道狀態(tài)信息情況下,速率約束條件式(4)可能導(dǎo)致目標(biāo)函數(shù)的次優(yōu)解甚至不可解。較多無線應(yīng)用(如視頻流、IP語音等)在不影響用戶服務(wù)質(zhì)量的情況下可以接受短暫中斷。在實(shí)際情況下,認(rèn)知用戶發(fā)射的信號(hào)對(duì)主用戶的干擾會(huì)超過主用戶的干擾閾值φPj。為獲得滿足主用戶干擾約束條件下的更高概率,設(shè)中斷概率為δPj,則約束條件式(4)可被替換為:

?l,?m,?j

(8)

1-exp(-φPj(MβPj,Sl,mtr(QSl,m))-1)

(9)

將式(9)代入式(8)可得:

1-exp(-φPj(MβPj,Sl,mtr(QSl,m))-1)≥1-δPj

由此可得:

tr(QSl,m)≤ -φPj(MβPj,Sl,mlgδPj)-1

?l,?m,?j

(10)

則式(10)相當(dāng)于式(8),即式(10)可以代替式(3)。

次用戶的功率約束式(5)與式(10)具有相同的形式。定義:

則式(5)與式(10)可結(jié)合為:

tr(QSl,m)≤ρSl,m,?m,?l

(11)

因此,約束條件式(4)和式(5)可轉(zhuǎn)換為式(11)。在統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息情況下的系統(tǒng)模型為:

(12)

經(jīng)過松弛后,式(12)仍為非凸問題。但后文通過約束獲得可行解的范圍,再求解每個(gè)用戶的最小功率分配QSl,m,最終將上述問題的數(shù)學(xué)模型簡化為一個(gè)只關(guān)于分配時(shí)間tSl,m的凸問題。

3 時(shí)間資源分配

3.1 最小初始化時(shí)間資源分配

為充分利用時(shí)間資源,保證每個(gè)次用戶的最低速率要求,需要最小化次用戶組的初始時(shí)間資源,使一幀的剩余時(shí)間資源最大化。在認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息情況下,每個(gè)次用戶Sl,m的最低速率要求不同,即每個(gè)次用戶Sl,m有不同的最大瞬時(shí)速率rSl,m,max(單位為nat/s),該速率依賴于次用戶的最大傳輸功率以及對(duì)主用戶的干擾約束。因此,每個(gè)次用戶的最大瞬時(shí)速率為:

s.t.式(7),式(11)

(13)

對(duì)于式(13),本文通過標(biāo)準(zhǔn)的注水算法進(jìn)行求解。根據(jù)文獻(xiàn)[14-16],令:

其中,ASl,m為MSl,m×MSl,m維的Hermitian半正定矩陣,其秩和非負(fù)特征值分別為WSl,m=rank(ASl,m),λSl,m,1≥λSl,m,2≥…≥λSl,m,WSl,m。根據(jù)注水算法可得每個(gè)次用戶天線上的功率分配為:

其中,(x)+=max{x,0},μSl,m為注水算法的最佳水位,這里指次用戶Sl,m每個(gè)天線上發(fā)射的最佳功率。結(jié)合每個(gè)次用戶發(fā)射的總功率約束tr(QSl,m)≤ρSl,m,有:

通過約束條件可以獲得μSl,m,即:

由文獻(xiàn)[13-14]可知,次用戶Sl,m的最大瞬時(shí)速率rSl,m,max為:

則每個(gè)次用戶Sl,m滿足速率要求的最小時(shí)間資源tSl,m,min為:

在認(rèn)知系統(tǒng)中,每個(gè)次用戶的速率要求目標(biāo)函數(shù)的可行域范圍為:

剖宮產(chǎn)術(shù)后疼痛還可能使原本和諧的醫(yī)患關(guān)系變得緊張。我院曾經(jīng)有1位產(chǎn)科醫(yī)生為患者完成了1例高難度的剖宮產(chǎn)手術(shù)，當(dāng)時(shí)患者病情危重，很多醫(yī)院都不愿接收，這位醫(yī)生順利完成了手術(shù)，可最后卻換來了患者的投訴。原因正是術(shù)后產(chǎn)婦疼痛難忍，醫(yī)生未能及時(shí)妥善處理術(shù)后疼痛。

tSl,m≥tSl,m,min

(14)

文獻(xiàn)[10]在滿足次用戶最小傳輸速率要求的前提下,串行地分配初始時(shí)間資源,即每個(gè)次用戶獨(dú)自占用以自身最小時(shí)間作為初始的時(shí)間資源。本文利用TDM-CDMA技術(shù),在滿足次用戶組最低傳輸速率要求的前提下,并行分配初始時(shí)間資源給次用戶,使同組次用戶共享時(shí)間信道資源。每個(gè)次用戶的初始時(shí)間資源等于該組的初始時(shí)間資源,即tl,min=tSl,m,min。最小初始化時(shí)間資源能夠達(dá)到剩余時(shí)間資源最大化的目的,并得出如下結(jié)論:

結(jié)論1將每個(gè)次用戶需要的最小時(shí)間資源tSl,m,min從大到小排序,每M個(gè)分為一組(若剩余幾個(gè)次用戶不滿M個(gè),也劃分為一組)。每個(gè)次用戶組初始時(shí)間資源tl,min為該組次用戶初始時(shí)間資源的最大值,即tl,min=max{tSl,1,min,tSl,2,min,…,tSl,M,min},?l,tl,min則為最小分配初始時(shí)間資源。

3.2 最佳時(shí)間資源分配

根據(jù)文獻(xiàn)[10],次用戶Sl,m的能耗ESl,m(tl)可表示為:

(15)

已知次用戶Sl,m的能耗ESl,m(tl)是嚴(yán)格單調(diào)凸函數(shù),因此,次用戶組的總能耗El(tl)也是嚴(yán)格單調(diào)凸函數(shù)。對(duì)于一幀時(shí)間,最佳時(shí)間資源分配需要滿足以下條件:

1)次用戶分配的時(shí)間資源保證滿足次用戶的最低速率要求,即滿足式(14)。

2)每組次用戶被分配的時(shí)間資源是該組中每個(gè)次用戶被分配的時(shí)間資源,即滿足式(3)。

3)所有次用戶組分配的總時(shí)間資源不超過一幀周期,既滿足式(4)。

一幀時(shí)間可以被劃分為多個(gè)時(shí)間片,一個(gè)時(shí)間片代表時(shí)間分配中的最小單元。在實(shí)際分配中,每個(gè)次用戶Sl,m所分配的時(shí)間資源為時(shí)間片的整數(shù)倍,而不是實(shí)際的時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[10],假設(shè)一個(gè)歸一化的時(shí)間周期總共有T個(gè)時(shí)間片,在認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)中,時(shí)間資源分配模型為:

(16)

繼第3.1節(jié)的初始時(shí)間資源分配后,本節(jié)將一幀中剩下的時(shí)間資源公平地分配給每個(gè)次用戶組。在整個(gè)周期中,利用TDM-CDMA技術(shù)分組共享時(shí)間資源給次用戶,并結(jié)合貪婪算法公平地分配剩余時(shí)間資源,使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的次用戶組獲得最佳時(shí)間資源,即求解凸優(yōu)化問題式(16)。首先,令每組次用戶分配的時(shí)間片數(shù)為tl-1時(shí)刻到tl時(shí)刻,每個(gè)時(shí)間片中每個(gè)次用戶的能耗差ΔSl,m(tl)為:

可以看出,每個(gè)次用戶的能耗差也表示每個(gè)次用戶組的平均能耗差。

進(jìn)行最佳時(shí)間資源分配前,首先確定初始化分配后剩余的時(shí)間片數(shù)N;然后,依次將剩余的時(shí)間片分配給平均能耗差最小的次用戶組。不斷更新,直至剩余時(shí)間片分配完為止。

最佳時(shí)間資源分配的更新步驟如下:

步驟2計(jì)算每組次用戶當(dāng)前時(shí)間資源下的平均能耗差ΔSl,m(tl),當(dāng)前所有次用戶組的平均能耗差集合為Δ={ΔS1,m(tl),ΔS2,m(tl),…,ΔSL,m(tl)}。

步驟3確定當(dāng)前所有次用戶組中平均能耗差最小的次用戶組Δmin=minΔ,將剩余時(shí)間片中第n(n∈{1,2,…,N})個(gè)時(shí)間片分配給Δmin的次用戶組。

步驟4更新次用戶組的時(shí)間資源{t1,t2,…,tL},同時(shí)更新對(duì)應(yīng)的平均能耗差Δ,然后進(jìn)行步驟3。

步驟5重復(fù)步驟4,直至剩余時(shí)間片分配完畢。

通過初始化分配和最佳分配2個(gè)步驟,能夠使次用戶組獲得最佳時(shí)間資源。此時(shí),可以根據(jù)式(15)計(jì)算次用戶組的總能耗和系統(tǒng)的總能耗。時(shí)間資源的整個(gè)分配流程如圖3所示。

圖3 時(shí)間資源分配流程

4 仿真結(jié)果與分析

為評(píng)估本文所提方法的性能,本節(jié)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)模型參照?qǐng)D1,參數(shù)設(shè)定為:所有用戶都分布在200 m×200 m的正方形中,有2個(gè)主用戶鏈路對(duì),鏈路對(duì)的接收器和相應(yīng)的發(fā)射器相距10 m,70個(gè)次用戶隨機(jī)分布在認(rèn)知網(wǎng)中。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均為4根天線,一幀長為20 ms,每個(gè)次用戶的最低傳輸速率為32 Kb/s,載波頻率為1 GHz,帶寬w為20 MHz。仿真過程采用獨(dú)立同分布的瑞利衰減信道模型,衰減指數(shù)為4。次用戶的最大傳輸功率為27.5 dBm,主用戶的最大傳輸功率為20 dBm。噪聲功率密度為-174 dBm/Hz,(N0w)-1φPj為25 dB,運(yùn)行中斷概率δPj為0.01。

在仿真過程中,對(duì)比了運(yùn)用3種方法進(jìn)行時(shí)間分配后的結(jié)果。其中,“最大速率”方法表示滿足最大傳輸速率時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)次用戶用最少時(shí)間傳輸數(shù)據(jù),“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法表示在認(rèn)知MIMO網(wǎng)中,結(jié)合傳統(tǒng)的TDMA技術(shù)和貪婪算法分配最佳時(shí)間給每個(gè)次用戶,“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法表示結(jié)合TDM-CDMA技術(shù)和貪婪算法分配最佳時(shí)間給次用戶組。

4.1 總時(shí)間片數(shù)確定

在無線系統(tǒng)中,一幀被劃分為多個(gè)時(shí)間片,但是不同情況時(shí)所劃分的時(shí)間片數(shù)不同。在實(shí)驗(yàn)過程中,若T取值過大,會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行效率降低;若T取值太小,會(huì)導(dǎo)致一幀的空閑時(shí)間不能被充分利用,即不能達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)能耗。為確定合理的T,本文進(jìn)行70個(gè)次用戶的時(shí)間-平均每比特能耗的關(guān)系仿真,結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4可以看出,在傳統(tǒng)“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法中,當(dāng)T<200時(shí),系統(tǒng)每比特能耗隨時(shí)間迅速下降,當(dāng)T>400時(shí),能耗趨于收斂。從圖5可以看出,與傳統(tǒng)“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法相比,“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法的系統(tǒng)平均每比特能耗隨T變化不大。綜上,一個(gè)周期的時(shí)間被劃分為大于400個(gè)時(shí)間片時(shí),“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法系統(tǒng)中70個(gè)次用戶能夠充分利用時(shí)間資源,而本文所提出的“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法無論何種情況均能充分利用時(shí)間資源。因此,本文在后面的仿真中選取T=400。

圖4 “最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”不同T下系統(tǒng)平均每比特能耗

圖5 不同T下2種方法系統(tǒng)平均每比特能耗對(duì)比

4.2 系統(tǒng)能耗分析

圖6所示為在認(rèn)知MIMO網(wǎng)中,利用TDM-CDMA技術(shù)和貪婪算法對(duì)時(shí)間資源進(jìn)行最小初始化分配和最佳時(shí)間分配后的次用戶平均每比特能耗。

圖6 3種方法下次用戶平均每比特能耗對(duì)比

由圖6可以看出:

1)隨著系統(tǒng)負(fù)載量(即次用戶個(gè)數(shù))的增加,系統(tǒng)平均每比特能耗增大。但無論系統(tǒng)次用戶數(shù)量為多少,“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法的能耗總小于“最大速率”方法。原因是能耗函數(shù)是時(shí)間的減函數(shù),隨著時(shí)間變量的增大,能耗函數(shù)值不斷減小?！白畲笏俾省狈椒ɡ米钚r(shí)間以最大速率傳輸,時(shí)間少,因此,其能耗較大,而“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法通過減小速率來獲得更多的傳輸時(shí)間,導(dǎo)致其次用戶的總能耗減少。

2)隨著負(fù)載量的增加,“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法的平均每比特能耗明顯大于“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載量為70時(shí),“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法的平均每比特能耗達(dá)到“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法的2倍。

3)隨著負(fù)載量的增加,與“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法的系統(tǒng)平均每比特能耗變化趨勢(shì)相比,“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法的平均每比特系統(tǒng)能耗增加幅度較小。原因是“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”方法利用傳統(tǒng)的TDMA技術(shù)結(jié)合貪婪算法,將時(shí)間資源串行地分配,即使在襯底模型下,也只能達(dá)到一個(gè)次用戶與主用戶共享時(shí)間資源。而本文“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法分配時(shí)間資源時(shí),利用TDM-CDMA技術(shù)結(jié)合貪婪算法,使共享時(shí)間資源的次用戶組能夠分配到最佳時(shí)間資源,且時(shí)間資源能夠被充分利用,從而達(dá)到降低系統(tǒng)能耗的目的。

綜上所述,本文所提出的“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法的系統(tǒng)能耗低于“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”和“最大速率”方法,其整體性能更優(yōu)。

本文進(jìn)一步利用“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法分析當(dāng)4、8、16個(gè)次用戶互不干擾地共享相同時(shí)間資源時(shí)的系統(tǒng)能耗,即M=4、8、16時(shí)系統(tǒng)的平均每比特能耗,仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出,隨著負(fù)載量的增加,系統(tǒng)的平均每比特能耗呈增加趨勢(shì),但隨著擴(kuò)頻碼的增加,系統(tǒng)能耗明顯降低。該結(jié)果表明,有越多的次用戶互不干擾地共享相同時(shí)間資源,系統(tǒng)平均每比特能耗越低。

圖7 不同M下次用戶的平均每比特能耗對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對(duì)認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)中的能耗問題,提出基于TDM-CDMA技術(shù)的“最佳時(shí)間&多用戶共享”方法,利用該方法并行分配時(shí)間資源,以在保證主用戶的通信服務(wù)質(zhì)量、各認(rèn)知用戶之間互不干擾,且滿足次用戶的最低傳輸速率要求的前提下,最小化系統(tǒng)能耗。仿真結(jié)果表明,該方法的系統(tǒng)能耗低于“最佳時(shí)間&多數(shù)據(jù)流”和“最大速率”方法,且越多正交用戶共享時(shí)間資源時(shí)越能充分地利用時(shí)間資源。下一步考慮將本文方法應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的物物通信中,以降低系統(tǒng)能耗,延長電池壽命。