基于動靜態頻譜相結合的接納控制機制

徐昌彪，朱聯軍，崔恩東

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶　400065)

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基于動靜態頻譜相結合的接納控制機制

徐昌彪，朱聯軍，崔恩東

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065)

在不同頻段頻譜共存的情況下，針對動靜態頻譜資源相結合的接入策略和接納控制機制進行了研究。提出了一種支持動靜態頻譜資源相結合的非隨機接入機制，利用排隊論建立了相應的馬爾可夫轉移模型，定義了聯合接納控制因子，根據用戶的需求不同設定了不同的控制因子門限值。啟動接納控制算法，以相應的概率來接納新的呼叫請求。仿真結果表明，啟動接納控制算法后，用戶的阻塞率、強制中斷概率、聯合接納控制因子都得到了一定的改善。

動靜態頻譜；排隊論；馬爾科夫轉移模型；接入策略；控制因子；接納控制

無線頻譜資源的使用在國際上具有嚴格的規則，從目前實際使用和研究來看，通信控制中心與終端之間通信在頻譜資源利用方式上主要有3種：1)靜態頻譜資源，由國家根據自身頻譜資源情況固定分配所得或屬未分配的共享頻段；2)半動態頻譜資源，通過競拍所得；3)動態頻譜資源，動態感知所得。本文中的靜態頻譜資源指的是第一種情形，動態頻譜資源指的是后兩種情形。

傳統的認知無線電技術大多數是針對同種頻段情況下的頻譜共享，對不同頻段下的授權頻段與非授權頻段的聯合接入的研究還比較少。為了能夠滿足用戶低時延、大帶寬、大數據服務范圍的服務需求，未來網絡一定是能夠實現多種不同頻段接入網絡的集成與融合。由于用戶對動態頻譜的使用與靜態頻譜的使用存在一定的差異，因此，對動靜態頻譜資源相結合的接入策略和接納控制機制研究具有重要的意義。

1　研究現狀

動態頻譜接入是動靜態頻譜資源相結合的基礎。但是，針對頻譜接入方面的研究更多側重于動態頻譜接入策略方面的研究；或者是針對同一種頻段的認知用戶的行為進行研究，對于動靜態頻譜聯合接入的研究相對較少。

文獻[1]針對動態頻譜接入中認知用戶業務需求的不同，將認知用戶劃分為不同優先級：高優先級和低優先級。文獻[2]提出了一種聯合信道聚合分裂算法，為動態頻譜接入設計了一種排隊模型。文獻[3]中針對頻譜稀缺和頻譜共享問題，提出了一種基于對等協作的動態頻譜共享算法。文獻[4]建立了一個多優先級多用戶接入體系結構，為提高有限信道的利用率，在用戶接入時間方面設置了相應的非搶占優先級。文獻[5]對動態接入下，主用戶和次用戶都使用IEEE802.11共享頻段時的接入性能進行了分析。文獻[6]中，對用戶用電進行接納控制，保證了用戶的用電質量，實現了供需平衡。文獻[7]研究了動態頻譜接入問題，在次用戶不知道主用戶通信特征的情況下對主用戶進行干擾避免，文中設計了一種動態頻譜接入協議，研究了未知主用戶特征下對主用戶的干擾。文獻[8]針對動態頻譜接入過程中可用信道的選擇進行了研究。借鑒智能控制中的Q-learning理論，將Q-learning理論引入到動態頻譜信道選擇的過程中，建立認知用戶的信道選擇模型，提出了一種基于Q-learning的信道選擇算法。在LTE-UMTS網絡中，文獻[9]提出了一種自適應的接納控制模型，它可以在LTE和UMTS的網絡接口間起到平衡負載的作用。為了減輕下行跨層干擾，文獻[10]中提出了一種FFR方案，降低了系統的阻塞率。

2　動靜態頻譜接入模型

2.1接入策略

本文考慮兩個不同的頻譜網絡：網絡A和網絡B，他們各自的授權用戶占用不同頻段的頻譜。其中，A頻譜網絡中的授權用戶用UA表示，B頻譜網絡中的授權用戶用UB表示。當用戶請求到達時，優先接入自身的授權網絡，利用靜態頻譜。兩種頻譜網絡中的用戶都具有認知功能，在自身網絡沒有可用信道情況下可以動態地感知對方頻譜的空洞，利用其頻譜空洞進行動態頻譜接入。網絡A和B的可用帶寬用信道個數表示，為了便于分析，假設UA與UB在進行通信時占用的帶寬相同。相對于次用戶，授權用戶對自身網絡的帶寬有絕對的優先使用權。動靜態頻譜聯合接入過程中的UA、UB均以非隨機的方式接入網絡，A、B兩種頻譜網絡的聯合接入過程如下：

1)如果靜態頻譜能夠滿足用戶的請求，那么授權用戶將以非隨機的方式由低頻段到高頻段接入到靜態頻譜。

2)如果A網絡中信道全部被授權用戶UA占用，并且B網絡中有空閑信道可以使用，那么用戶UA呼叫請求由B頻譜的高頻段到低頻段動態接入到B網絡。同理，B網絡的授權用戶UB的接入過程也類似。

3)當有處于A網絡的UA完成呼叫請求時，用戶UA會釋放占用的信道，此時A網絡中將有空閑信道可以使用；與此同時，如果B網絡存在認知用戶UA，那么UA將發生頻譜切換，切換到自身的授權頻段，切換的順序由低頻段到高頻段。

4)如果A網絡中的信道全部被授權用戶UA占用，B網絡中沒有空閑信道可以使用，且UA占用了B網絡的信道進行通信。此時若有用戶UB呼叫請求到達，那么UA必須終止正在進行的通信，釋放該信道，產生掉話。同理，用戶UB發生掉話的情況與UA類似。

5)當A網絡中信道全部被用戶UA占用，且B網絡中也檢測不到空閑信道可以使用，那么此時用戶UA將發生呼叫阻塞。同理，用戶UB發生阻塞的情況與UA類似。

2.2接入模型

假設UA的呼叫請求到達率服從參數為λA的泊松分布，服務時間服從參數為μA的負指數分布；UB的呼叫請求到達率服從參數為λB的泊松分布，服務時間服從參數為UB的負指數分布。假設A網絡中可用信道總數為m個，B網絡中可用信道總數為n個。用整數對(i,j)表示系統中用戶UA，UB的數量；p(i,j)表示系統中UA，UB的數量分別為i個和j個的狀態概率。其中狀態空間(i,j)滿足下式

(1)

A網絡中m個可用信道，B網絡中n個可用信道的動靜態頻譜聯合接入的Markov轉移模型如圖1所示。

圖1中兩條虛線包裹的正方形區域表示系統用戶靜態接入的部分。此時，不管是用戶UA還是UB，都能接入到自身的網絡。虛線包裹的右三角形區域表示網絡A的頻譜已被UA用戶占用完，剩下的部分UA用戶還動態占用了B網絡的頻譜。倘若此時有UA用戶從A網絡中離開，那么動態占用B網絡的UA將立刻切換到該靜態信道，這個過程同樣是以非隨機的方式進行的。同理，虛線包裹的下三角形區域對于UB同樣如此。

圖1　動靜態頻譜聯合接入Markov轉移模型

圖1中，斜虛線的上半部分，狀態集i+j=m+n。對于UA來說，表明系統已經沒有信道可用；所以，新來的UA將被拒絕，發生阻塞，阻塞率用pblock,A表示。對于新來的UB用戶，用戶UA將會發生強制中斷，強制中斷概率用pforced,A表示，因為在B頻譜中，UA的優先級要低于UB。同理，圖1斜虛線的下半部分，狀態集i+j=m+n。對于UB來說，表明系統已經沒有信道可用；所以，新來的UB將被拒絕，發生阻塞，阻塞率用pblock,B表示。新來的UA用戶，將會迫使UB用戶發生強制中斷，中斷率用pforced,B表示。

3　接納控制機制

為改善用戶UA和UB的接入性能，本文設計了一種基于動靜態頻譜聯合的接納控制方案。動靜態頻譜聯合接入過程中用戶的性能參數主要體現在阻塞率和強制中斷概率，此方案主要是針對能對這兩個參數進行研究的。為了確保接納控制的有效性，對影響用戶的性能參數(阻塞率和強制中斷概率)進行了綜合的考慮。本文為用戶UA和UB定義了聯合接納控制因子βA和βB，其線性表達式如

βA=τA*pblock,A+(1-τA)*pforced,A

(2)

βB=τB*pblock,B+(1-τB)*pforced,B

(3)

βA(βB)為UA(UB)的聯合接納控制因子，代表用戶的QoS要求；pblock,A(pblock,B)和pforced,A(pforced,B)分別為用戶UA動靜態聯合接入的阻塞率和強制中斷概率，τA(τB)和1-τA(1-τB)分別為用戶UA(UB)的阻塞率和強制中斷概率的加權系數，其中0≤τA(τB)≤1。不同的業務請求類型對阻塞率與強制中斷概率的要求不一樣，可以通過調整τA的取值來控制聯合接納控制因子的值。

在定義聯合接納控制因子的基礎之上，本文設計的接納控制方案的主要思想是：假設系統接納了新的用戶呼叫請求后，獲得系統相關運行性能參數(阻塞率、強制中斷概率以及聯合接納控制因子)。具體的做法是：根據第2章中動靜態頻譜相結合的Markov轉移模型得到用戶UA和UB的阻塞率與強制中斷概率，根據式(2)、式(3)分別計算出接納控制因子，再計算出M/M/m即時拒絕系統的系統負載η，最后得到關于系統負載η、用戶的阻塞率、強制中斷概率以及聯合接納控制因子的接納控制性能表。由于不同的業務對服務質量有著不同的需求，用戶UA和UB可以根據自身的服務質量需求選取合適的聯合接納控制因子β的門限值βthreshold，然后依據接納控制性能關系表查找到βthreshold對應的系統負載η的門限值ηthreshold。用系統負載門限值ηthreshold來控制用戶UA和UB的接入量，從而改善用戶UA和UB的接入性能。ηthreshold也就是用戶所能忍受的最壞的QoS，通過采用接納控制算法，只要用戶的接納控制因子能夠有一定的改善，不至于很差即可，具體的接納控制過程如下。

對于UA來說，系統根據業務的需求設定聯合接納控制因子的門限值βthreshold,A，然后在接納控制性能關系表中找到βthreshold,A對應的系統負載的門限值ηthreshold,A。當ηA<ηthreshold,A時，表明系統的資源能夠滿足用戶的服務需求，不需要啟動接納控制算法，此時允許UA進入系統進行服務，不需要對其進行接納控制。當ηA>ηthreshold,A時，說明如果假設用戶UA接入系統后，對應的聯合接納控制因子βA已經超過了其門限值βthreshold,A。此時系統已經不能很好地滿足用戶的服務要求了，需要對用戶的服務請求進行接納控制，限制用戶UA接入量，從而使其阻塞率、強制中斷概率得到一定地改善。具體地控制方法是，當系統負載η>ηthreshold,A時，以概率pallow,A控制用戶UA進入接入系統，pallow,A的定義如下

(4)

當ηA>ηthreshold,A時，接入概率pallow,A<1，隨著ηA的增大，對應的pallow,A值越小。系統負載越大，UA可用的資源也就越少，那么UA就以越小的概率pallow,A接入到系統；這也就從一定程度上控制了UA的接入量，達到了本文接納控制的目的。那么，與UA相關的阻塞率、強制中斷概率以及聯合接納控制因子都會有一定的改善。UB同樣如此。

4　接納控制仿真分析

(5)

4.1接納控制前后對比分析

圖2中的三角曲線表示的是接納控制前用戶阻塞率的變化情況，圓圈曲線表示的是接納控制后的用戶阻塞率的變化情況。兩條曲線重合部分為未啟動接納控制算法，不重合的分割點表示啟動接納控制算法的起始點?？梢钥闯鲈跊]有啟動接納控制的時候，隨著系統負載的增大，阻塞率幾乎呈現一直加劇的狀態；在啟動接納控制算法之后，用戶的阻塞率較沒有控制之前有了一定的降低，而且隨著系統負載的增大，阻塞率增大到一定程度是就維持在一個相對穩定的狀態，這也表明了本文接納控制方案的有效性。

圖3中的三角曲線表示控制前的強制中斷概率的變化情況，圓圈曲線表示接納控制后強制中斷概率的變化情況。同理，可以明顯的看出，當η大于某個值時，也就是啟動接納控制算法之后，圓圈曲線較三角曲線有明顯的下降，即改善了用戶的接入性能。因為強制中斷概率只存在于動態頻譜接入的情況下，所以當系統負載η小于該值時，用戶主要以靜態頻譜接入為主，強制中斷概率基本上為零。當η大于該值時，用戶將要使用動態頻譜資源，因為UA/UB的優先級低于授權用戶。當有授權用戶出現時，UA/UB就可能被強制中斷，所以隨著系統負載的增加，強制中斷概率也就隨之增大。

圖3　強制中斷概率與系統負載關系

從圖4可以看出，當系統負載小于某個值時，系統沒有啟動接納控制算法，兩條線是重合的；當大于該值時，系統啟動了接納控制算法，用戶的聯合接納控制因子有了一定的下降。進一步說明，在綜合考慮用戶的接入性能參數的情況下，本文提出的接納控制方案的有效性。

4.2與CAEC[11]接納控制方案對比分析

本文中，所提出的接納控制方案最主要目的是提高系統的吞吐量，這也是衡量接納控制方案的一個重要指標，下面將對此參數進行對比分析。在文獻[11]中，作者提出了一種接納控制——CAEC(evictioncontrolofsecondaryusers)。在CAEC方案中，重點考慮時延這一影響參數，對用戶的強制中斷條件進行相關的研究。當主用戶信道到來時，其信道若被此用戶占用，此時并不是馬上將此用戶強制中斷，而是有條件地進行中斷控制。本文所提出的接納控制方案(重點考慮阻塞率和強制中斷概率，把本文方案稱作BF方案)和CAEC方案在系統吞吐量方面的對比如圖5所示。

圖5　到達率與系統吞吐量關系

圖5表示BF接納控制方案和CAEC接納控制方案下λA=0.3,λB=0.2時網絡A、B的吞吐量隨到達率的變化情況。從圖中可以看出，在用戶到達率比較小時，二者的用戶吞吐量差別不大，這是因為在用戶比較少的時候，自身的授權信道能夠滿足用戶自身的需求。隨著用戶到達率的增加，BF接納控制方案的吞吐量要明顯高于和CAEC接納控制方案的吞吐量。這是因為CAEC方案更關注用戶的時延，而BF方案綜合考慮了系統的阻塞率和中斷概率，保證了網絡的高效利用，進而增加網絡的吞吐量。

5　小結

接納控制機制是在動靜態頻譜相結合的接入模型基礎之上提出的，是一種基于系統負載的接納控制算法。該算法先假設系統接納新的呼叫，然后分析出整個網絡的性能參數，建立用戶動靜態頻譜接入性能表。根據用戶業務需求的不同，系統設定啟動接納控制算法的聯合接納控制因子的門限值，在動靜態頻譜接入性能表中找到其對應的系統負載的門限值。啟動接納控制算法后，系統則以概率來接納新的呼叫請求。通過仿真表明，用戶和在使用了接納控制算法之后，其阻塞率、強制中斷概率和聯合接納控制因子都得到了一定的改善，證明了本文所提出的接納控制方案的有效性。當網絡負載比較大的時候，如果不對新的呼叫請求進行接納控制，即使用戶進入系統也不會得到滿意的通信體驗，同時也增加了系統的開銷，所以引入接納控制算法是非常有意義的。

致謝：

本論文成果要感謝徐昌彪導師的指導，以及崔恩東師兄在設計中進行的大量試驗和測試。

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徐昌彪(1972— )，碩士生導師，主要從事體域網、未來網絡研究；

朱聯軍(1989— )，碩士生，主要從事無線接入網資源分配研究；

崔恩東(1987— )，碩士生，主要從事認知無線電研究。

責任編輯：許盈

Admissioncontrolmechanismbasedoncombinationofstaticanddynamicspectrum

XUChangbiao，ZHULianjun，CUIEndong

(Department of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

Inthispaper,consideringthesituationofdifferentfrequencyspectrumcoexistence,accessstrategyandadmissioncontrolmechanismarestudiedwiththecombinationofdynamicandstaticspectrum.Anon-randomaccessmechanismsupportingdynamicandstaticspectrumresourcescombinedareproposed,aMarkovtransfermodelisestablishedbasedonQueueTheoryandthejointadmissioncontrolfactorisdefined.Accordingtodifferentuserneeds,systemsetthecorrespondingfactorthresholdstartingthejointadmissioncontrolalgorithm.Afterstartingthealgorithm,thenewcallrequestisadmittedatacertainloadprobability.Thesimulationresultsshowthattheuser'sblockingprobability,forcedinterruptprobabilityandfactorhadacertainimprovement.

dynamicandstaticspectrum;queuetheory;Markovtransfermodel;accessstrategy;controlfactor;admissioncontrol

TN915

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.016

國家自然科學基金項目(61301124)

2015-12-30

文獻引用格式：徐昌彪，朱聯軍，崔恩東. 基于動靜態頻譜相結合的接納控制機制[J].電視技術，2016，40(7)：70-75.

XUCB，ZHULJ，CUIED.Admissioncontrolmechanismbasedoncombinationofstaticanddynamicspectrum[J].Videoengineering，2016，40(7)：70-75.