非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)下認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享

齊 博,張陸勇,張秋月,趙小川

(1.北京郵電大學(xué),北京100876;

2.中國(guó)航天科工集團(tuán)第三十三研究所,北京100074)

0 引言

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的頻譜共享問(wèn)題一直是認(rèn)知無(wú)線電理論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前已經(jīng)提出了許多用于分析頻譜共享的方法。博弈論[1]是用來(lái)對(duì)決策者的一些互有的可能沖突的連續(xù)的特殊行為進(jìn)行建模求解的學(xué)科。應(yīng)用博弈論方法,可以有效地解決分布式認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中各非授權(quán)用戶的最優(yōu)頻譜分配和功率控制問(wèn)題。拍賣理論[2]可以用來(lái)獲得頻譜的最優(yōu)定價(jià),從而使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)非授權(quán)用戶的總收益最大化。圖著色理論[3]考慮非授權(quán)用戶之間的干擾和約束條件,實(shí)現(xiàn)其不同地理位置上的頻率復(fù)用。這些方法已經(jīng)可以對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)得出較高效的頻譜共享策略,但其對(duì)用戶的QoS并沒(méi)有進(jìn)行充分的考慮。雖然在有些論文中提到將用戶業(yè)務(wù)分為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(RT)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(NRT)[4],并給實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)以絕對(duì)優(yōu)先級(jí)來(lái)保證系統(tǒng)的低掉話率,但是并沒(méi)有給出在某種特定業(yè)務(wù)下應(yīng)采取的專用頻譜共享算法。我們知道,不同種類的業(yè)務(wù)具有不同的QoS,如實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如MPEG)對(duì)時(shí)延敏感,以恒定速率比特流傳送,而非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如FTP)對(duì)時(shí)延的要求很低,卻希望以最大的速率完成傳輸。所以,根據(jù)特定的業(yè)務(wù),應(yīng)該有特定的頻譜策略與之相適應(yīng),從而可以進(jìn)一步提高頻譜效率。

1 NRT-dedicate頻譜共享算法

本文對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)非授權(quán)用戶非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(FTP)下的頻譜共享策略進(jìn)行了研究,引入自適應(yīng)傳輸速率,提出了一種非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)專用的頻譜共享算法——NRT-dedicate頻譜共享算法。

1.1 系統(tǒng)模型

考慮在一個(gè)基于OFDMA的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中,有M個(gè)授權(quán)用戶基站,將網(wǎng)絡(luò)分為M個(gè)小區(qū),各小區(qū)中可用頻譜為Ki個(gè)子信道,i_=1,2,…,M,并且各個(gè)子信道之間正交,互相不造成干擾,N個(gè)非授權(quán)用戶位于這M個(gè)小區(qū)中,如圖1所示。非授權(quán)用戶向所在小區(qū)的授權(quán)用戶基站請(qǐng)求發(fā)起FTP業(yè)務(wù),準(zhǔn)備傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)分別為ni,i=1,2,…,N。

圖1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

1.2 自適應(yīng)傳輸速率

由于各非授權(quán)用戶的位置不同,他們的無(wú)線環(huán)境也有所不同,位于小區(qū)邊緣的用戶,因?yàn)槭艿较噜徯^(qū)的干擾,無(wú)線頻譜質(zhì)量較小區(qū)中心差,頻譜效率低。因此,采用自適應(yīng)傳輸速率配置方案,使速率與信道頻譜質(zhì)量、可用帶寬相適應(yīng),可以進(jìn)一步提高頻譜效率,提升系統(tǒng)的總收益。

為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸速率,為非授權(quán)用戶定義自適應(yīng)速率格式組合(r,W,Q)和自適應(yīng)速率格式組合集S。S為系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的(r,W,Q)集合;r為非授權(quán)用戶的傳輸速率;W為非授權(quán)用戶所占的信道數(shù);Q為非授權(quán)用戶和其所在授權(quán)用戶基站之間信道的頻譜質(zhì)量。

因?yàn)樽杂煽臻g信號(hào)強(qiáng)度與傳播距離的平方成反比,信道質(zhì)量Q主要考慮相鄰小區(qū)授權(quán)用戶基站的干擾,所以可以定義:

式中,l為相鄰小區(qū)基站和非授權(quán)用戶小區(qū)基站之間的距離;d為用戶到小區(qū)基站的距離;g為相鄰基站的干擾強(qiáng)度。

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際可獲得的頻譜質(zhì)量Qp和可用信道數(shù)Wp為非授權(quán)用戶選擇速率r最高的(r,W,Q),從而實(shí)現(xiàn)了速率對(duì)無(wú)線環(huán)境和資源的自適應(yīng)。

1.3 NRT-dedicate頻譜共享算法

非授權(quán)用戶和基站連接需要建立控制信道,而長(zhǎng)時(shí)間的控制信道會(huì)消耗大量的系統(tǒng)資源。因此,可以結(jié)合自適應(yīng)傳輸速率,設(shè)計(jì)一種頻譜共享算法,減少用戶在系統(tǒng)中非授權(quán)用戶的平均駐留時(shí)間,降低控制信道資源的消耗,提高系統(tǒng)的總收益。

系統(tǒng)中用戶i的駐留時(shí)間ti可以定義為:

式中,cti為用戶i在系統(tǒng)中的通信時(shí)間,

wti為用戶i在系統(tǒng)中的等待時(shí)間,

φ(?)為用戶使用頻譜的優(yōu)先級(jí)函數(shù)。

把式(2)和式(3)代入式(1)得:

可得系統(tǒng)中非授權(quán)用戶的平均駐留時(shí)間為:

因此可得系統(tǒng)中的最優(yōu)優(yōu)先級(jí)函數(shù)φbest(?)為:

因?yàn)閕僅為用戶序號(hào),所以可以對(duì)用戶重新排序,用序號(hào)k代替,k滿足φ(k)為k的單調(diào)增函數(shù)。

用k替代i代入式(4)得:

取φ(i)=,其中r為滿足自適應(yīng)速率格

besti式組合(ri,Wi,Qi)的可實(shí)現(xiàn)集S的最大值。

系統(tǒng)在對(duì)用戶進(jìn)行頻譜分配時(shí),優(yōu)先選擇φbest(i)相對(duì)較高的用戶,給其分配盡可能多的頻譜,使其可以在最高速率下傳輸,已達(dá)到減小系統(tǒng)中非授權(quán)用戶的平均駐留時(shí)間的目的。

2 系統(tǒng)收益

定義非授權(quán)用戶在網(wǎng)絡(luò)中傳輸有用信息的吞吐量為用戶在網(wǎng)絡(luò)中的收益,則非授權(quán)用戶i的收益Pi可表示為:

式中,nti為用戶i傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù);ti為用戶i在系統(tǒng)中的駐留時(shí)間;c為控制信道單位時(shí)間所占的比特?cái)?shù)。

由此,可以得到系統(tǒng)每個(gè)用戶的平均收益Pave,

將式(5)帶入式(6)得:

上述分析表明,系統(tǒng)中非授權(quán)用戶的平均駐留時(shí)間tave變短可以提高系統(tǒng)總收益。

3 仿真與分析

考慮在一個(gè)100*100的區(qū)域中,存在4個(gè)授權(quán)戶基站,將區(qū)域分成4個(gè)小區(qū),每小區(qū)有5個(gè)可用信道,有N個(gè)非授權(quán)用戶隨機(jī)分布于區(qū)域中,初始位置坐標(biāo)服從均勻分布。非授權(quán)用戶以1的速度沿著隨機(jī)的一個(gè)方向在區(qū)域中移動(dòng)。N個(gè)非授權(quán)用戶在各自小區(qū)發(fā)起FTP業(yè)務(wù),所要發(fā)送的比特?cái)?shù)ni服從正態(tài)分布N(10 000,4 000)。非授權(quán)用戶基本速率為r0=100,使用一個(gè)子信道的頻譜。仿真對(duì)(r,W,Q)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,設(shè)定Q的門(mén)限值Qth,當(dāng)Q＞Qth時(shí),判定為較好的無(wú)線環(huán)境,系統(tǒng)允許非授權(quán)用戶以最多4個(gè)信道4*r0的速率進(jìn)行傳輸;否則,系統(tǒng)只允許非授權(quán)用戶最多使用2個(gè)信道2*r0的速率通信。取相鄰小區(qū)干擾強(qiáng)度為10,2個(gè)授權(quán)用戶基站之間的距離l=50非授權(quán)用戶與基站之間的門(mén)限距離dth=15,可計(jì)算得Qth=122.5。取控制信道單位時(shí)間占用比特?cái)?shù)c=1。

非授權(quán)用戶的平均駐留時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 非授權(quán)用平均駐留時(shí)間曲線

隨著用戶數(shù)的增加,非授權(quán)用戶的平均駐留時(shí)間也近似線性地增長(zhǎng),這是因?yàn)橄到y(tǒng)的頻譜資源有限,用戶數(shù)的增加必然導(dǎo)致個(gè)用戶平均排隊(duì)等候時(shí)間增加,但不必?fù)?dān)心優(yōu)先級(jí)低的用戶會(huì)因?yàn)榈却龝r(shí)間過(guò)長(zhǎng)而掉話,因?yàn)镹RT業(yè)務(wù)QoS特性決定其能夠容忍很大的時(shí)延。可以看到,NRT-dedicate頻譜共享算法能夠獲得比通用業(yè)務(wù)的頻譜共享算法更低的平均駐留時(shí)間,這與分析的相符,證明NRT-dedicate算法可以有效地改善非授權(quán)用戶在系統(tǒng)中駐留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,節(jié)省了相關(guān)的控制信道資源的開(kāi)銷。

非授權(quán)用戶平均收益的分析如圖3所示。

圖3 非授權(quán)用戶平均收益曲線

隨著用戶數(shù)的增加,非授權(quán)用戶的平均收益下降,這是因?yàn)榉鞘跈?quán)用戶的平均等待時(shí)間隨著用戶數(shù)的增加而增加,對(duì)控制信道資源的額外開(kāi)銷也隨之增加,從而使用戶的平均收益下降。因?yàn)榉鞘跈?quán)用戶隨機(jī)分布于網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)用戶較少時(shí),用戶可能會(huì)集中于某一兩個(gè)小區(qū)中,導(dǎo)致系統(tǒng)中的頻譜效率降低,使用戶不能獲得良好的收益。所以圖3中,8用戶時(shí)非授權(quán)用戶的平均收益低于12用戶時(shí)的情況,隨著用戶數(shù)的進(jìn)一步增加,這個(gè)問(wèn)題便消失了。可以從圖中看出,NRT-dedicate頻譜共享算法的非授權(quán)用戶平均收益高于通用的頻譜共享算法,這證明在非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(FTP)情況下,NRT-dedicate頻譜共享算可以獲得更高的頻譜利用率,提升網(wǎng)絡(luò)的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)密集的情況下的頻譜共享策略進(jìn)行了研究,考慮非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的特性,結(jié)合自適應(yīng)速率傳輸,提出了一種適用于這種情況的頻譜共享策略NRT-dedicate頻譜共享算法,并對(duì)其性能進(jìn)行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明,NRT-dedicate頻譜共享算法可以有效地減少非授權(quán)用戶在系統(tǒng)中的平均駐留時(shí)間,增加用戶平均收益,提高網(wǎng)絡(luò)頻譜效率。

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