基于認知無線電網絡的動態頻譜分配

王中偉，賈振紅，覃錫忠，夏曉燕，鄧 磊

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基于認知無線電網絡的動態頻譜分配

王中偉1，賈振紅1，覃錫忠1，夏曉燕2，鄧 磊2

(1. 新疆大學信息科學與工程學院，烏魯木齊 830046；2. 中國移動通信集團新疆有限公司，烏魯木齊 830063)

針對無線通信網絡中頻譜日益緊缺的問題，對基于認知無線電網絡的動態頻譜分配技術進行研究，提出一種保護信道和排隊相結合的動態信道分配方案。該方案在不影響主用戶業務的情況下，為因主用戶到達而切換的次用戶預留保護信道，對新到達的次用戶采用排隊策略。如果系統中主用戶或者次用戶因服務完畢而離開時，隊列中的次用戶則可按一定的次序使用空閑可用的子信道。仿真結果表明，與僅預留保護信道和僅使用隊列緩沖器的方案相比，該方案能有效降低系統的總體失敗率，提高分配性能，且對次用戶的平均吞吐量和平均延遲影響較小。

認知無線電網絡；動態頻譜接入；擁塞率；信道預留；馬爾科夫模型

1 概述

在無線通信系統中，隨著日益增長的通信需求，頻譜資源緊缺的問題越來越嚴重。近年來研究發現，基于授權的固定頻譜分配方式導致頻譜利用率極低，僅為5%~ 10%[1]，但是某些未授權頻段(如手機通信頻段)因為競爭而擁擠不堪。因此，探索新的頻譜資源分配方案勢在必行。

認知無線電[2]是一個智能的無線通信系統，具有在不影響授權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，基于認知無線電網絡的動態頻譜接入[3-4]被認為是解決上述問題的有效方案。在該方案中，獲得頻段授權的用戶稱為主用戶，未獲得的稱為次用戶，主用戶對頻譜具有優先權，可隨時使用頻譜。同時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頻段。目前，國內外很多學者都致力于動態頻譜分配的研究：文獻[5]提出了一種連續時間的馬爾科夫鏈模型去預測未授權頻段的行為；文獻[6]提出了一種評價主用戶和次用戶堵塞率的理論方法；文獻[7]為降低次用戶的擁塞率，采取為新到達的次用戶排隊策略；文獻[8]在為新到達的次用戶排隊的基礎上，考慮了排隊對次用戶造成的影響；文獻[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的策略；文獻[10-11]研究了為切換的次用戶預留信道的馬爾科夫模型，提高了系統的吞吐量；文獻[12]為最大化地提高頻譜的利用率，中央控制器為新到達的次用戶盡可能多地分配頻譜；文獻[13]考慮了不同類型的次用戶的優先級問題；文獻[14]考慮了次用戶的服務質量(Quality of Service, QoS)問題。但以上研究都沒有考慮將切換保護信道和排隊相結合的問題。

本文在上述工作的基礎上，提出在無線認知網絡中預留切換保護信道和為新到達的次用戶排隊相結合的信道分配方案。該方案為因主用戶到達而被搶占的需要切換的次用戶預留保護信道，以降低次用戶的被迫終止率；為抑制新到達的次用戶擁塞率惡化現象，采取為新到達的次用戶排隊的策略。

2 系統模型及性能分析

2.1 系統模型

假設在無線認知網絡中，有個已經被授權的信道，而每個信道又可被進一步分為個子信道，主用戶可以使用個信道中任一個信道，次用戶可以使用個信道中的任何一個，但如果某授權信道被使用，那么該信道劃分的子信道不能被次用戶使用。系統模型如圖1所示。

圖1 系統模型

從個信道中預留個信道為切換的次用戶使用，為新到達的次用戶采用排隊策略，其容量為。在本文中，采用中央控制式的動態信道接入控制方案，主要考慮次用戶性能的變化。設主用戶和次用戶的到達都符合互為獨立的泊松分布，到達率分別為和；服務時長都符合互為獨立的負指數分布，均值分別為1/μ和1/μ。對于該過程，可以用一個三維連續時間Markov過程來描述。

使用狀態向量(,,)表示該過程的某一狀態，其中，為系統中的次用戶數；為主用戶數；為隊列中次用戶數。則全部狀態集：

(1)當次用戶到達時，若0≤+<，則在空閑的子信道中為新到達的次用戶分配一個信道；若≤+≤, 0≤<，則新到達的次用戶在隊列中等待；若≤+≤,=，則系統拒絕接納該次用戶，該用戶被堵塞。

(2)當次用戶服務完成離開系統時，若0≤1+<, 0<≤，則分配釋放的子信道給正在排隊的次用戶使用；若≤1+≤, 0<≤，則排隊的次用戶繼續在隊列中等候。

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

(4)當主用戶服務完成離開系統時，若0<≤，則有min(,)個次用戶從隊列中刪除，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留的信道不能很多，因此本文設預留信道數≤，對于每個狀態，可以采用的是流量守恒原則，令流入速率=流出速率，即可寫出每個穩態時的平衡方程。

(1)當+≤(1),=0時，狀態轉移圖如圖2所示。

圖2 i+jN≤N(M–1), k=0時的狀態轉移圖

(2)當(1)<+≤,=0時，狀態轉移圖如圖3所示。

(3)當+=, 0≤≤時，狀態轉移圖如圖4 所示。

(4)當–<+<, 0≤≤時，狀態轉移圖如圖5所示。

(5)當+=, 0≤≤時，狀態轉移圖如圖6所示。

利用正則性條件：

即可通過求解線性方程得出各個狀態的穩態解。當+≥和=時，次用戶被堵塞；當–1<+≤時，的被迫終止數是(+–(–1))。那么次用戶的擁塞率P和被迫終止率P分別為：

當次用戶被堵塞或者被迫終止時，次用戶的服務沒有被完成；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完成所持續的時間決定的。次用戶的沒有完成概率P和吞吐量為：

平均隊列長度和隊列擁塞的可能性p為：

隊列中次用戶的平均等待時延為：

3 仿真結果與分析

本文采用Matlab進行仿真，系統模型如圖1所示。=3，=5，次用戶的到達率為2個/s，平均服務時間1/μ為0.5 s；主用戶的平均服務時間1/μ為1 s，主用戶每秒的到達率為0.3~1.0，本文將分析比較在不同的預留信道數和不同的的隊列容量的情況下次用戶的性能。

主用戶到達率與次用戶被迫終止率以及擁塞率之間的關系如圖7和圖8所示。

圖7 主用戶到達率與次用戶被迫終止率之間的關系

圖8 主用戶到達率與次用戶擁塞率之間的關系

可以看出，當預留信道數相同時，隨著隊列緩沖器容量的增大，次用戶擁塞率降低，被迫終止率增加，這是由于隊列緩沖器雖然對新到達的次用戶造成一定的時延，但可以使新到達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，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。隊列緩沖器容量相同時，隨著預留信道數的增加，被迫終止率降低，堵塞率增加，這是由于為切換的次用戶預留信道，新到達的次用戶可以使用的子信道數減少，導致次用戶的被迫終止率下降，擁塞率增加。

主用戶到達率與次用戶不能完成率之間的關系如圖9所示。

圖9 主用戶到達率與次用戶不能完成率之間的關系

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

主用戶到達率與次用戶平均吞吐量之間的關系如圖10所示。

圖10 主用戶到達率與次用戶平均吞吐量之間的關系

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

主用戶到達率與次用戶平均延遲之間的關系如圖11所示。

圖11 主用戶到達率與次用戶平均延遲之間的關系

可以看出，次用戶的平均延遲與隊列的容量和預留的信道數有關，但由于隊列長度較小，次用戶的平均延遲很小，最大延遲為0.163s。

4 結束語

本文提出一種保護信道和排隊相結合的信道分配策略。該策略對新到達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；為新到達的次用戶采用排隊策略，當新的次用戶到達而系統中沒有可用的子信道時，可以在隊列中等待一段時間，如果有用戶離開，隊列中的次用戶可以按照一定的次序接受服務，防止了次用戶的擁塞率惡化現象。實驗結果表明，在對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的總體失敗率，但本文并沒有考慮次用戶的優先級問題，次用戶的優先級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

中國移動新疆分公司研究發展基金資助項目(xjm2011-1)。

王中偉(1986－)，男，碩士研究生，主研方向：移動通信，無線認知網絡；賈振紅(通訊作者)，教授、博士生導師；覃錫忠，副教授；夏曉燕、鄧 磊，高級工程師。

2012-11-30

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

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.026