聯(lián)合包調(diào)度頻譜切換和功率分配的跨層設(shè)計方案

杜奕航,王可人,焦傳海

(1.解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037;2.解放軍陸軍軍官學(xué)院，安徽 合肥 230031)

聯(lián)合包調(diào)度頻譜切換和功率分配的跨層設(shè)計方案

杜奕航1,王可人1,焦傳海2

(1.解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037;2.解放軍陸軍軍官學(xué)院，安徽 合肥 230031)

針對認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜切換造成系統(tǒng)吞吐量損失和切換延遲較大的問題，提出了聯(lián)合包調(diào)度頻譜切換和功率分配的跨層設(shè)計方案。該方案根據(jù)連續(xù)時間馬爾科夫鏈模型預(yù)測信道狀態(tài)信息，調(diào)度器采用包調(diào)度算法對預(yù)繁忙信道次用戶進(jìn)行調(diào)度，并重新分配認(rèn)知節(jié)點功率以提升系統(tǒng)吞吐量。仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)頻譜切換算法，該方案可在降低認(rèn)知用戶中斷率的同時使系統(tǒng)吞吐量提升約5%。

主動頻譜切換；認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)；跨層設(shè)計；包調(diào)度算法

0 引言

為解決頻譜資源短缺和不充分利用的問題，認(rèn)知無線電作為一種有效方法被提出[1-2]，其基本思想就是利用頻譜空穴“見縫插針”地進(jìn)行通信。主用戶(Primary User， PU)享有頻譜使用的高優(yōu)先級，當(dāng)主用戶重新回到該頻段時，次用戶(Secondary User， SU)必須進(jìn)行規(guī)避，遷移到其他空閑信道繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這一過程被稱為頻譜切換。目前，尋找一種行之有效并且可行性高的頻譜切換方法是一個極富挑戰(zhàn)的工作，已引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

國內(nèi)外專家對頻譜切換和調(diào)度問題展開了相應(yīng)研究，提出了一系列頻譜切換方法。文獻(xiàn)[3]根據(jù)信道空閑時間和繁忙時間提出了一種信道排序算法，并基于此算法建立了信道監(jiān)測機(jī)制。文獻(xiàn)[4]提出了一種以最大化信道利用率為目標(biāo)的頻譜切換算法，但該方法靈活性相對較低。文獻(xiàn)[5]提出了一種混合式頻譜切換算法，但缺乏一個詳盡的頻譜調(diào)度方案，致使次用戶阻塞率和中斷率較高。文獻(xiàn)[6]提出一種基于群智能優(yōu)化算法的頻譜切換方法，在建立模型后利用群智能方法求解最優(yōu)頻譜切換方案，但存在求解時間過長、易陷入局部最優(yōu)解等問題。上述文獻(xiàn)均未考慮如何有效補償認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜切換帶來的系統(tǒng)吞吐量損失，并且切換延遲時間普遍較長。本文針對此問題，提出了聯(lián)合包調(diào)度主動式頻譜切換和功率分配的跨層設(shè)計方案。

1 極坐標(biāo)系用戶調(diào)度圖

1.1 系統(tǒng)模型

采用集中式Overlay頻譜共享模型的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[7-8]，如圖1所示。考慮下行鏈路中用戶調(diào)度與功率分配問題，認(rèn)知基站負(fù)責(zé)對次用戶進(jìn)行頻譜調(diào)度和功率分配，由于硬件設(shè)施和電池限制，其總傳輸功率約束為Ptotal。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)共包含N個主用戶信道，記為信道i,i=1,2…N，每個信道i帶寬為B。

(1)

假設(shè)主用戶的到達(dá)時間服從泊松過程，平均速率為λ1，主用戶在信道的駐留時間服從指數(shù)分布，服務(wù)強(qiáng)度為μ1。次用戶的到達(dá)時間也服從泊松過程，平均速率為λ2，次用戶在信道的駐留時間服從指數(shù)分布，服務(wù)強(qiáng)度為μ2。當(dāng)主用戶數(shù)和認(rèn)知節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)大于信道數(shù)時，以上假設(shè)被認(rèn)為是合理的。

1.2 極坐標(biāo)系調(diào)度圖的映射關(guān)系

由于認(rèn)知基站負(fù)責(zé)信道狀態(tài)預(yù)測、次用戶調(diào)度等任務(wù)，各認(rèn)知用戶將業(yè)務(wù)到達(dá)時間、持續(xù)時長等信息實時上報給認(rèn)知基站，因此基站可獲得認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中次用戶信道占用圖，如圖2所示。從圖中可以清楚地看到新用戶呼叫請求前后的信道占用情況，系統(tǒng)中共有4個主用戶信道，共計13個次用戶數(shù)據(jù)包在上面進(jìn)行通信。

另外，根據(jù)次用戶數(shù)據(jù)包和新數(shù)據(jù)包之間的時間關(guān)系，可將次用戶數(shù)據(jù)包分為兩類：前端交疊包(Font-overlapping Packet, FP)和后端交疊包(Tail-overlapping Packet, TP)。前端交疊包指和新用戶前端發(fā)生重疊的數(shù)據(jù)包，即數(shù)據(jù)包結(jié)束時刻晚于新用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)時刻；后端交疊包指和新用戶后端發(fā)生重疊的數(shù)據(jù)包，即數(shù)據(jù)包開始時刻早于新用戶數(shù)據(jù)包結(jié)束時刻。在圖3中橫陰影線區(qū)域全部是前端交疊包，豎陰影線區(qū)域全部是后端交疊包，其中虛線半圓代表新用戶數(shù)據(jù)包的起始時刻在極徑上的映射，虛線極徑代表新用戶數(shù)據(jù)包的結(jié)束時刻在方位角上的映射。

2 基于跨層設(shè)計的主動頻譜切換方案

本節(jié)詳細(xì)描述基于跨層設(shè)計和包調(diào)度算法的主動式頻譜切換方案，首先認(rèn)知基站基于連續(xù)時間馬爾科夫鏈模型預(yù)測信道未來狀態(tài)信息，而后根據(jù)極坐標(biāo)系用戶調(diào)度圖對需要進(jìn)行頻譜切換的次用戶采用包調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度，最后重新分配各認(rèn)知節(jié)點的功率實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化。

2.1 基于連續(xù)時間馬爾科夫鏈的信道預(yù)測

(2)

其中，I為單位方陣。求解式(2)可得：

(3)

因此，通過式

(4)

即可預(yù)測出t0+Δt時刻各信道所狀態(tài)的概率，當(dāng)預(yù)測信道處于1狀態(tài)的概率超過閾值pth時，則認(rèn)為Δt時間后該信道主用戶出現(xiàn)概率較大，系統(tǒng)對該信道上的認(rèn)知用戶執(zhí)行主動頻譜切換。

2.2 基于包調(diào)度算法的主動頻譜切換

認(rèn)知基站完成一次信道狀態(tài)預(yù)測后，對于預(yù)繁忙信道上的次用戶要執(zhí)行頻譜切換，在這里采用填充算法和遷移算法相配合的方式實現(xiàn)用戶調(diào)度。

新用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)時，調(diào)度器根據(jù)其開始時間和結(jié)束時間自動將其映射到極坐標(biāo)系用戶調(diào)度圖上，如圖3所示。此時若調(diào)度圖的Ⅳ區(qū)域內(nèi)某信道存在頻譜空穴，則直接采用填充算法將中斷用戶數(shù)據(jù)包調(diào)度到該信道上。若有多個信道均存在滿足用戶業(yè)務(wù)時間要求的空穴，為保證頻譜切換后的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)獲得最大的吞吐量效益，則選擇增益最高的信道接入。在圖3中，信道1和信道4均存在滿足要求的頻譜空穴，由于SUk在信道1上的增益大于信道4，即hk1>hk4，因此SUk選擇信道1接入。

但信道繁忙時，滿足中斷用戶數(shù)據(jù)包時間要求的頻譜空穴不一定存在，此時需要采用遷移算法“人為”制造頻譜空穴。即認(rèn)知基站遷移某些即將進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇斡脩魯?shù)據(jù)包到別的信道，從而在當(dāng)前信道上形成更長的頻譜空洞供中斷用戶傳輸。如圖4所示，當(dāng)中斷用戶SUk到達(dá)時系統(tǒng)中沒有合適的頻譜空穴供其使用，但如果將后端交疊包TP2遷移到信道4，則信道1就存在一個足夠長的空穴供SUk使用，此時再采用填充算法即可完成對SUk的頻譜切換。

值得注意的是，上述遷移過程中如果存在多個后端交疊包滿足要求，而每個后端交疊包又存在不止一個頻譜空穴可供遷移，為使系統(tǒng)吞吐量最大化則需根據(jù)每個數(shù)據(jù)包的持續(xù)時間和信道增益從中篩選。在這里定義第i個后端交疊包的補償指數(shù)如下式：

(5)

其中，tk為中斷用戶SUk數(shù)據(jù)包時長，hkj為SUk在TPi原占用信道上的增益，ti為TPi數(shù)據(jù)包時長，j′為TPi可遷移的增益最大的信道，hij′為TPi在信道j′上的最大增益，hij為TPi在原占用信道上的增益。在調(diào)度過程中，調(diào)度器在眾多后端交疊包中選擇CPi最大的TPi遷移到可供其遷移且信道增益最大的信道上，使頻譜切換后系統(tǒng)獲得較大的吞吐量效益。綜上所述，基于包調(diào)度算法的主動頻譜切換流程如圖6所示。

2.3 認(rèn)知節(jié)點功率重新分配

在某些信道較擁擠的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，頻譜切換會頻繁發(fā)生，造成認(rèn)知用戶的阻塞和中斷[11]。為減小頻繁頻譜切換帶來的系統(tǒng)吞吐量損失，本文采用對實現(xiàn)頻譜切換后的認(rèn)知節(jié)點優(yōu)化功率分配的策略，通過物理層操作與MAC層操作之間的相互配合，實現(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大。

假設(shè)頻譜切換后同一時間共有M個認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包在上面進(jìn)行通信，記為數(shù)據(jù)包m，m=1,2,…,M，其中第m個數(shù)據(jù)包占用的信道為k(m)。則優(yōu)化問題可以表述為：

s.t.pm≥0,m∈M

(6)

其中，hmk(m)為數(shù)據(jù)包m在信道k(m)上的增益。問題(6)是一個凸優(yōu)化問題[12]，因此具有強(qiáng)對偶性，原問題與對偶問題間隙為零。通過松弛問題(6)中的約束，可得到拉格朗日函數(shù)為：

(7)

其中，η是優(yōu)化問題(6)中約束條件對應(yīng)的拉格朗日因子。從而得到問題(6)的對偶問題：

(8)

將對偶問題(8)分解為M個子問題，每個次用戶數(shù)據(jù)包對應(yīng)一個子問題，它們有共同的優(yōu)化結(jié)構(gòu)：

s.t.pm≥0

(9)

由子問題(9)使用KKT條件可得優(yōu)化問題(6)的最優(yōu)解：

(10)

式(10)中的η可通過求解對偶問題(8)的最優(yōu)解獲得，可使用次梯度法迭代得到。由此可得到頻譜切換后各個數(shù)據(jù)包的最優(yōu)功率分配值。

3 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)采用Matlab仿真首先對本文所提基于包調(diào)度算法的主動頻譜切換方案進(jìn)行驗證，并與文獻(xiàn)[8]中基于信道預(yù)測的頻譜切換算法和文獻(xiàn)[13]中基于分級的頻譜切換算法進(jìn)行了比較。建立一個擁有認(rèn)知基站的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，設(shè)定系統(tǒng)信道數(shù)N=8，每個信道的速率為1 Mb/s。認(rèn)知用戶到達(dá)過程服從λ=0.3的泊松分布，數(shù)據(jù)包長度服從l=0.85的指數(shù)分布。

圖7表示出了認(rèn)知用戶中斷概率隨主用戶信道占用率變化的曲線。從圖中可以看出，當(dāng)主用戶信道占用率較小時，三種方法的認(rèn)知用戶中斷率均較低。這是因為主用戶到來的機(jī)會較小，不經(jīng)常發(fā)生頻譜切換，因此無論采用那種算法次用戶中斷概率都很小。隨著主用戶信道占用率的增加，三種算法的次用戶中斷率均上升，并且本文算法的中斷概率低于其他兩種方法。這是因為主用戶信道占用率上升，認(rèn)知用戶發(fā)生頻譜切換的機(jī)會就增加，同時可供調(diào)度的新到資源減少，因而中斷概率增加。本文算法較另外兩種算法除了被動地填充頻譜空穴還采用遷移算法制造頻譜空洞，因此減小了次用戶中斷率，提高了頻譜切換性能。

圖8表示出了頻譜利用率隨主用戶信道占用率變化的曲線。從圖中可以看出，當(dāng)主用戶信道占用率較小時，三種方法的頻譜利用率均較高。這是因為主用戶到來機(jī)會較小，次用戶可以長時間占據(jù)主用戶信道進(jìn)行通信，因而頻譜利用率較高。隨著主用戶信道占用率的增加，三種算法的頻譜利用率均下降，本文算法的頻譜利用率明顯高于其他兩種方法。這是因為本文算法采用填充和遷移相結(jié)合的調(diào)度算法，最大程度地利用信道空洞，因此提高了頻譜利用率。

為進(jìn)一步分析比較所提方案與傳統(tǒng)算法的差異，還仿真了本文提出的基于跨層設(shè)計的頻譜切換方案與不考慮物理層功率分配的傳統(tǒng)頻譜切換算法。認(rèn)知基站總功率Ptotal=5 mW，信道帶寬B=100 kHz，信道增益的均值為1，即E(hmk(m))=1。

圖9顯示了系統(tǒng)總吞吐量隨認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包數(shù)量變化曲線。從圖中可以看出，本文算法的系統(tǒng)吞吐量比傳統(tǒng)算法高出約5%左右，這是因為本文算法在MAC層對認(rèn)知用戶完成調(diào)度后又在物理層對各認(rèn)知節(jié)點功率進(jìn)行了優(yōu)化分配。隨著認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也在增加，因而一開始系統(tǒng)吞吐量隨數(shù)據(jù)包數(shù)量增大而增大，但當(dāng)數(shù)據(jù)包過多時，信道上出現(xiàn)較多長度較小的頻譜空穴，導(dǎo)致大長度數(shù)據(jù)包被阻塞，所以系統(tǒng)吞吐量下降。另外我們注意到，主用戶信道占用率P越大，系統(tǒng)總吞吐量就越大，這是因為空閑信道較繁忙信道可容納更多次用戶進(jìn)行通信并且中斷概率較小。

4 結(jié)論

本文提出了聯(lián)合包調(diào)度主動式頻譜切換和功率分配的跨層設(shè)計方案。該方案采用連續(xù)時間馬爾科夫鏈模型預(yù)測信道狀態(tài)，根據(jù)極坐標(biāo)系用戶調(diào)度圖采用包調(diào)度算法對需要進(jìn)行頻譜切換的次用戶進(jìn)行調(diào)度，對于新的頻譜態(tài)勢重新分配各認(rèn)知節(jié)點的功率以提升系統(tǒng)吞吐量。仿真結(jié)果證明，所提算法可在降低認(rèn)知用戶中斷率的同時使系統(tǒng)吞吐量得到提升。

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Joint Packet Scheduling Spectrum Handoff and Power Allocationfor Cross-layer Design Scheme

DU Yihang1, WANG Keren1, JIAO Chuanhai2

(1.Electronic Engineering Institute of PLA, Heifei 230037, China; 2.Army Officer Academy, Heifei 230037, China)

Aiming at the problem of system throughput loss caused by spectrum hand-off and long delay time of switching, the joint packet scheduling spectrum hand-off and power allocation scheme for cross-layer design scheme was proposed. The scheme predicted the channel state based on the continuous-time Markov chain of primary users’ channels. The scheduler adopted packet scheduling algorithm for scheduling the secondary users of the pre-busy channel and reallocation power of the cognitive nodes to maximize the system throughput. Simulation results showed that the proposed scheme could reduce the cognitive users’ interruption rate while increasing system throughput by about 5%.

proactive spectrum handoff; cognitive radio network; cross-layer design; packet scheduling

2016-06-26

安徽省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目資助(1608085QF143)

杜奕航(1991—)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計。E-mail:18788839403@163.com。

TN92

A

1008-1194(2017)01-0116-06