基于業(yè)務(wù)區(qū)分的頻譜接入策略分析

唐 倩，徐家品

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

基于業(yè)務(wù)區(qū)分的頻譜接入策略分析

唐 倩，徐家品

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，如何保證認(rèn)知用戶的傳輸質(zhì)量，滿足其QoS要求是值得關(guān)注的問(wèn)題。首先根據(jù)認(rèn)知用戶的QoS要求，將其分成兩種等級(jí)，實(shí)時(shí)用戶和非實(shí)時(shí)用戶，并分別被建模成M/G/1排隊(duì)模型，降低了對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)延均值。然后根據(jù)系統(tǒng)傳輸時(shí)間均值，討論了多信道接入策略，通過(guò)經(jīng)典的遺傳算法可得最優(yōu)接入策略，考慮到遺傳算法的高復(fù)雜度，實(shí)際應(yīng)用中采用反比例接入算法求得次優(yōu)解，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明反比例接入算法可以取得與最優(yōu)接入策略相近的結(jié)果且能極大地降低計(jì)算時(shí)間。

認(rèn)知無(wú)線電；M/G/1排隊(duì)模型；多信道接入策略；實(shí)時(shí)性

近年來(lái)，隨著頻譜資源的日漸匱乏，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)得到了廣泛地關(guān)注。美國(guó)聯(lián)邦電信委員會(huì)頻譜政策任務(wù)小組的頻譜測(cè)量報(bào)告顯示[1]，大多數(shù)的授權(quán)頻譜資源并未得到充分的利用。在認(rèn)知無(wú)線電中，認(rèn)知用戶可以利用頻譜中的空閑頻段傳輸數(shù)據(jù)，但是當(dāng)授權(quán)用戶到來(lái)時(shí)，認(rèn)知用戶必須退出當(dāng)前信道，避免對(duì)授權(quán)用戶的傳輸造成影響，由此，認(rèn)知用戶必須在空閑的頻譜空洞之間進(jìn)行切換，而頻繁的切換會(huì)造成認(rèn)知用戶通信非常嚴(yán)重的延遲甚至是中斷，因此，如何選擇合適的信道進(jìn)行傳輸，如何有效地進(jìn)行頻譜切換和接入成為衡量認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前很多研究都討論了認(rèn)知用戶頻譜利用問(wèn)題[2-5]。文獻(xiàn)[6]建立了基于感知和基于概率兩種頻譜決策模型解決多個(gè)認(rèn)知用戶爭(zhēng)奪同一信道，分析相應(yīng)的系統(tǒng)傳輸時(shí)間，但是其并未考慮共享多個(gè)信道的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]討論了認(rèn)知用戶共享多個(gè)信道的問(wèn)題并建立了多信道虛擬的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模型，但是在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該考慮到不同的業(yè)務(wù)類型和用戶，由此可以根據(jù)QoS要求將認(rèn)知用戶分級(jí)[8-11]。文獻(xiàn)[8]中，認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包被分成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，但是這篇文章中只分析了單一信道上認(rèn)知用戶的平均等待時(shí)間。在文獻(xiàn)[9]中作者將主用戶傳輸系統(tǒng)近似建模為馬爾科夫鏈，討論了在該馬爾科夫信道下不同認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)流的動(dòng)態(tài)頻譜接入方案，但是其忽略了認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)和傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)性。文獻(xiàn)[10]提出了將認(rèn)知用戶分級(jí)并分別建模為搶占式的M/G/1排隊(duì)模型，其有效地降低了實(shí)時(shí)用戶的系統(tǒng)傳輸時(shí)延，然而考慮到遺傳算法的高復(fù)雜度，在實(shí)際應(yīng)用中可以采用反比例接入算法以降低計(jì)算時(shí)間。

基于以上討論，本文將針對(duì)認(rèn)知用戶的系統(tǒng)時(shí)延分析和多信道的接入策略進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)認(rèn)知用戶對(duì)QoS的要求，將認(rèn)知用戶分為實(shí)時(shí)用戶和非實(shí)時(shí)用戶，提出一種新的接入方案，以期達(dá)到有效地降低認(rèn)知用戶的系統(tǒng)傳輸時(shí)延和降低計(jì)算復(fù)雜度的目的。

1 系統(tǒng)模型及策略描述

1.1 系統(tǒng)建模

圖1 引入業(yè)務(wù)區(qū)分的基于概率的頻譜決策模型

1.2 頻譜接入策略描述

改進(jìn)的搶占式(Preemptive Resume Priority，PRP)M/G/1排隊(duì)模型如圖2所示。每個(gè)信道上構(gòu)建3個(gè)排隊(duì)隊(duì)列，其優(yōu)先級(jí)從高到低的排列順序?yàn)镻U用戶、SU1用戶、SU2用戶。主用戶只能在其對(duì)應(yīng)的授權(quán)信道上傳輸，而認(rèn)知用戶可以根據(jù)CR控制中心的頻譜決策在M條信道中任意選擇一條空閑信道進(jìn)行傳輸。如果信道都忙，則新到達(dá)的認(rèn)知用戶根據(jù)基于概率預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)頻譜接入策略選擇合適的信道并進(jìn)入相應(yīng)的隊(duì)列排隊(duì)等待。在每條信道上，高等級(jí)用戶可以搶占低等級(jí)用戶的傳輸，只有當(dāng)高等級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包傳輸完成，低等級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包才能進(jìn)行傳輸。當(dāng)高等級(jí)用戶達(dá)到授權(quán)信道時(shí)，在該信道傳輸?shù)牡偷燃?jí)用戶立即中斷正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，執(zhí)行頻譜切換，中斷的認(rèn)知用戶在原信道上等待，未完成的數(shù)據(jù)排在相應(yīng)等級(jí)隊(duì)列的前面。同優(yōu)先級(jí)的用戶傳輸遵從先到先服務(wù)原則進(jìn)入排隊(duì)序列。

圖2 改進(jìn)的PRP M/G/1排隊(duì)模型

1.2.1 實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶SU1頻譜接入策略

在改進(jìn)的PRP M/G/1排隊(duì)模型中，實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶SU1的數(shù)據(jù)包被等效為次等優(yōu)先級(jí)顧客，由此，SU1用戶必須等主用戶隊(duì)列傳輸完畢才可以進(jìn)行傳輸，同時(shí)SU1用戶可以搶占SU2用戶的信道傳輸數(shù)據(jù)。SU1用戶的頻譜接入策略如下：

1)當(dāng)SU1用戶到達(dá)時(shí)，若系統(tǒng)中還有可用信道，則SU1用戶選擇主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率最低的信道傳輸數(shù)據(jù)，若系統(tǒng)中無(wú)可用信道，但是有部分信道被SU2用戶占用，則SU1用戶搶占主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率最低的信道上的SU2用戶進(jìn)行傳輸，由此SU1用戶的信道接入概率向量P1與信道上主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率成反比。

(1)

(2)

1.2.2 非實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶SU2頻譜接入策略

在改進(jìn)的PRP M/G/1排隊(duì)模型中，非實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶SU2的數(shù)據(jù)包被等效為低等優(yōu)先級(jí)顧客，由此，SU2用戶必須等主用戶隊(duì)列和SU1用戶隊(duì)列傳輸完畢才可以進(jìn)行傳輸。SU2用戶的頻譜接入策略如下：

1)當(dāng)SU2用戶到達(dá)系統(tǒng)時(shí)，若系統(tǒng)中有可用信道，由于SU2用戶的數(shù)據(jù)包傳輸不僅受主用戶影響，還受SU1用戶影響，由此SU2用戶選擇主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率和SU1用戶數(shù)據(jù)到達(dá)率最低的信道傳輸數(shù)據(jù)。

(3)

(4)

2 系統(tǒng)時(shí)延分析

系統(tǒng)傳輸時(shí)間是衡量認(rèn)知用戶QoS的一個(gè)重要指標(biāo)。認(rèn)知用戶的總傳輸時(shí)間(Tsys)包括等待時(shí)間(Twait)和有效的傳輸時(shí)間(Ttrans)[5]。認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)系統(tǒng)到開(kāi)始進(jìn)行傳輸這段時(shí)間定義為等待時(shí)間，認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包開(kāi)始進(jìn)行傳輸?shù)絺鬏斖瓿傻倪@段時(shí)間定義為有效的服務(wù)時(shí)間。由此認(rèn)知用戶的平均系統(tǒng)傳輸時(shí)間可以表示為

E[Tsys]=E[Twait]+E[Ttrans]

(5)

2.1 實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶SU1的平均系統(tǒng)傳輸時(shí)間

(6)

(7)

由此授權(quán)信道k上認(rèn)知用戶SU1的有效傳輸時(shí)間為

(8)

2)SU1用戶的排隊(duì)等待時(shí)間。由于認(rèn)知用戶SU1的優(yōu)先級(jí)僅低于主用戶，當(dāng)沒(méi)有空閑頻譜時(shí)，SU1用戶可以搶占SU2用戶的信道進(jìn)行傳輸。由此，SU1用戶的排隊(duì)等待時(shí)間僅與主用戶有關(guān)，根據(jù)M/G/1排隊(duì)理論[14]可知

(9)

由此，在共享M個(gè)信道時(shí)，SU1用戶的平均系統(tǒng)傳輸時(shí)間為

(10)

2.2 非實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶SU2的平均系統(tǒng)傳輸時(shí)間

1)SU2用戶的有效傳輸時(shí)間。由于SU2用戶被賦予了最低優(yōu)先級(jí)，因此在傳輸?shù)倪^(guò)程中，不僅會(huì)被主用戶PU搶占信道，還會(huì)被SU1用戶搶占信道。仿照SU1用戶有效傳輸時(shí)間的分析方法，可以得到SU2用戶在授權(quán)信道k上的有效傳輸時(shí)間表達(dá)式為

(11)

2)SU2用戶的排隊(duì)等待時(shí)間。由于SU2用戶的優(yōu)先級(jí)最低，因此，新到達(dá)的SU2用戶必須等待該信道上主用戶隊(duì)列、SU1用戶隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包傳輸完成才能進(jìn)行傳輸，此時(shí)，假定SU1用戶以固定速率到達(dá)系統(tǒng)，那么根據(jù)M/G/1排隊(duì)理論[14]可知，SU2用戶的排隊(duì)等待時(shí)間為

(12)

由此，在共享M個(gè)信道時(shí)，SU2用戶的平均系統(tǒng)傳輸時(shí)間為

(13)

3 仿真實(shí)現(xiàn)及分析

3.1 時(shí)延性能分析

3.2 接入策略優(yōu)化分析

將分析簡(jiǎn)化，考慮2個(gè)信道的CogWMN系統(tǒng)，假定2個(gè)信道具有相同的參數(shù)特性：λ0=0.3,λ1=0.1,E[X0]=E[X1]=1。由圖5可以得到當(dāng)2個(gè)授權(quán)信道上主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率相同時(shí)，信道接入概率為P1=P2=(0.5,0.5)，SU1用戶和SU2用戶的平均系統(tǒng)傳輸時(shí)間均達(dá)到最小，E[Tsys1]= 1.455 9，E[Tsys2]=1.554 1。

圖5 主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率相同時(shí)兩種認(rèn)知用戶的系統(tǒng)傳輸時(shí)間

接下來(lái)討論反比例接入算法和遺傳算法的比較。不同主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率參數(shù)集設(shè)置如表1所示，不同策略下2種認(rèn)知用戶平均系統(tǒng)傳輸時(shí)間的比較如圖7所示。由圖7可以看出，隨著主用戶業(yè)務(wù)量的增加，SU1用戶和SU2用戶的系統(tǒng)傳輸時(shí)間都有所增加，反比例接入策略可以獲得與通過(guò)遺傳算法得到的最優(yōu)接入策略相近的系統(tǒng)時(shí)延均值。通過(guò)20次的程序運(yùn)行時(shí)間比較，遺傳算法需要進(jìn)行平均53次迭代得到全程最優(yōu)解，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1.71 s，而反比例接入策略的運(yùn)行時(shí)間僅有1.53 ms，運(yùn)行時(shí)間大大減少，降低了計(jì)算復(fù)雜度。

圖6 主用戶數(shù)據(jù)包不同時(shí)兩種認(rèn)知用戶的系統(tǒng)傳輸時(shí)間

表1 2個(gè)授權(quán)信道上主用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率參數(shù)集

主用戶業(yè)務(wù)參數(shù)索引(λ(1)0，λ(2)0)1(030，030)2(030，025)3(030，020)4(030，015)5(030，010)6(030，005)7(020，020)8(020，015)9(020，010)10(020，005)

圖7 不同接入策略下系統(tǒng)時(shí)延均值的比較

4 結(jié)論

本文在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜機(jī)會(huì)式接入模式下，根據(jù)認(rèn)知用戶不同的QoS要求——實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性，將認(rèn)知用戶分成兩種等級(jí)——實(shí)時(shí)用戶和非實(shí)時(shí)用戶。并根據(jù)搶占式 M/G/1 排隊(duì)模型分析了實(shí)時(shí)用戶和非實(shí)時(shí)用戶的系統(tǒng)傳輸時(shí)延。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的認(rèn)知用戶分級(jí)的策略可以在一定程度上降低實(shí)時(shí)用戶的傳輸時(shí)延，能滿足實(shí)際系統(tǒng)環(huán)境中不同QoS要求的用戶。基于系統(tǒng)時(shí)延的分析，進(jìn)一步研究了共享多個(gè)信道的頻譜接入策略，并將其等效為一個(gè)非線性問(wèn)題，通過(guò)遺傳算法找到認(rèn)知用戶系統(tǒng)時(shí)延的最小均值，由此可以求得最佳的多信道接入策略。同時(shí)考慮到遺傳算法的復(fù)雜性，本文采用反比例接入策略求得近似解，這在實(shí)際應(yīng)用中可以節(jié)省很大的時(shí)間開(kāi)銷。

[1] HOSSAIN E，NIYATO D，HAN Z. Dynamic spectrum access and management in cognitive radio networks[M].London：Cambridge University Press，2009.

[2] ZAHED S，AWAN I，CULLEN A. Analytical modeling for spectrum handoff decision in cognitive radio networks[J].Simulation Modelling Practice and Theory，2013(38)：98-114.

[3] 李文琴，高任. 面向Qos的低復(fù)雜度寬帶混合頻譜接入算法[J].電視技術(shù)，2014，38(11)：108-125.

[4] DO C T，TRAN N H，HONG C S. Optimal queueing control in hybrid overlay/underlay spectrum access in cognitive radio networks[C]//Proc. IEEE 75th Vehicular Technology Conference. Yokohama：IEEE Press，2012：1-5.

[5] ZHAO Yuan，JIN Shunfu，YUE Wuyi. A novel spectrum access strategy withα-Retry policy in cognitive radio networks：a queueing-based analysis[J].Journal of Communications and Networks，2014，16(2)：193-201.

[6] WANG C W，WANG L C，ADACHI F. Modeling and analysis of multi-user spectrum selection schemes in cognitive radio networks[C]//Proc. Personal，Indoor and Mobile Radio Communications Symposium. Tokyo：IEEE Press，2009：828-832.

[7] 李瀟，王軍. 多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能分析與接入策略設(shè)計(jì)[J].科學(xué)通報(bào)，2012，57(21)：2031-2039.

[8] TRAN，DUONG T Q，ZEPERNICK H J. Average waiting time of packets with different priorities in cognitive radio networks[C]//Proc. IEEE 5th International Symposium on Wireless Pervasive Computing. Modena：IEEE Computer Society，2010：122-127.

[9] TUMULURU V K，WANG Ping，NIYATO D. Performance analysis of cognitive radio spectrum access with prioritized traffic[J].IEEE Trans. Vehicular Technology，2012，61(4)：1895-1906.

[10] ZENG Zhen，WANG Gang. Dynamic spectrum access with prioritized secondary users in cognitive radio networks[J].Journal of Information and Computational Science，2013，10(18)：5811-5820.

[11] WU Y Q，HU F，KUMAR S. Spectrum handoffs with mixed-priority queueing model over cognitive radio networks[C]//Proc. 2013 1st IEEE Global Conference on Signal and Information Processing. Austin：IEEE Computer Society，2013：1194-1197.

[12] AKYILDIZ I F，LEE W Y，CHOWDHURY K R. CRAHNs：Cognitive radio ad hoc networks[J].Ad Hoc Networks，2009，7(5)：810-836.

[13] GOLDBERG D E. Genetic algorithms in search，optimization，machine learning[M].[S.l.]：Addison-Wesley Publishing Company，1989.

[14] NG C H，HEE S B. Queueing modelling fundamentals with applications in communication networks[M].USA：Wiley Blackwell，2008.

責(zé)任編輯：任健男

Spectrum Access Strategy Design with Prioritized Traffic in Cognitive Radio Networks

TANG Qian, XU Jiapin

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

An important issue in cognitive radio networks is the achievable Quality of Service(QoS) performance and high transmission performance for SUs’. Firstly, the SU traffic in the system is classified into two priority classes based on QoS requirements, namely delay-sensitive SU and delay-insensitive SU. The transmission of PU and SUs traffic are modeled as M/G/1 queues, and the overall system time of the prioritized SUs is evaluated based on Preemptive Repeat Priority M/G/1 queueing theory. Then, the access strategy is further investigated with respect to the expected overall system time for SU traffic. The classic Genetic Algorithm(GA) is adopted to minimize the expected overall system time. Considering the complexity of GA, the inverse proportional access strategy is adopted to obtain near-optimal results in practice. The results show that the overall system time by means of the algorithm proposed in this paper is close to that by means of GA and reduces the time.

cognitive radio; M/G/1 queueing theory; spectrum access strategy; delay sensitive

TN92

B

10.16280/j.videoe.2015.19.014

2015-04-17

【本文獻(xiàn)信息】唐倩，徐家品.基于業(yè)務(wù)區(qū)分的頻譜接入策略分析[J].電視技術(shù),2015，39(19).