認知無線電網絡節能效率調度建模研究

董春利，王 莉

（南京交通職業技術學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211188）

認知無線電網絡節能效率調度建模研究

董春利，王 莉

（南京交通職業技術學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211188）

隨著對環境問題的關注和綠色通信的興起，認知無線電網絡必須從節能效率角度考慮。為節能效率最大化制定的調度問題，是一個很難解決的非線性規劃問題。為尋求替代計算更容易的解決方案，文章提出了一個多項式時間啟發式算法，即節能效率啟發式調度，從而使分配到每個空閑頻率的認知用戶，達到最高節能效率。

認知無線電；節能效率；啟發式調度；信道切換

認知無線電網絡（Cognitive Radio Network, CRNs），由于其機會傳輸和動態頻譜接入（Dynamic Spectrum Access, DSA）的能力，使無線電頻譜得到有效利用。CRNs的集中式資源分配，稱為調度，大多在吞吐量效率視角下得到了很好的研究[1]。此外，公平性和服務質量問題也有一些研究[2]。然而，在CRNs調度中，節能效率作為一個設計標準卻被忽視了。隨著綠色通信的興起，位于認知基站（Cognitive Base Station, CBS）的認知調度應考慮節能效率。

CRNs的調度，是一個非線性規劃（Nonlinear Programming, NLP）問題[3]。為了克服這種計算的復雜性，本文設計了一個多項式時間啟發式算法，節能效率啟發式調度（Energy Efficient Heuristic Scheduling, EEHS），來解決這一問題。

1 系統模型與假設

考慮一個集中式CRN，服務N個CRS，主網絡具有F個非重疊正交頻率。每個主信道的占用狀態被建模為一個兩狀態的馬爾可夫鏈，表示空閑和繁忙狀態的信道。一個信道的空閑概率是pidle。PN和CRN以時間同步的方式運作，后者與前者同步。假定PU頻譜占用，由CBS從外部實體檢索，如白色空間數據庫[4]。

在頻率f，鏈路li,f記作CRi和CBS之間的信道，每幀開始時，每個CR將自己的狀態[Ri，Qi]，發送到CBS。Ri=[Ri,f]表示在一幀中，通過每個鏈路li,f，能被傳輸的比特數的矢量，Qi是在CRi緩沖區的比特數。

1.1 鏈路容量計算

令Bi,f為通過香農定理計算的鏈路li,f的容量，Ri,f是在鏈路li,f的一幀時間T，由CRi發送的最大比特數，計算如下：

其中，Ti,f是CR切換到f的信道切換時間。然而，CR不

csii能傳輸超過緩沖區的比特數。因此，鏈路li,f的有效速率Ci,f受到Ri,f和CRi的緩沖區中的比特數的限制。Ci,f計算如下：

計算出總的CRN吞吐量如下

當f被分配給CRi，Xi,f=1；反之，則為0。

1.2 能耗模型

在考慮上述狀態后， CRi能耗計算如下：

上述公式第一項是傳輸，第二項是空閑，第三項信道切換。

2 CRNS節能效率調度

在一個觀察周期T，節能效率定義為每單位能量消耗所得到的吞吐量。直接來自這個正式定義，比特/每焦耳的容量作為一個度量，衡量一個網絡節能效率。利用（4）—（5）分別計算總CRN吞吐量（R）和總CRN能耗（E），CRN的節能效率計算如下：

然后，節能效率最大化問題用公式表示如下：

其中x→－［X,i∈{1,..,N},f∈{1,..,F}］是元素X的分配矢

i,fi,f量。由于假設所有的CRS有一個天線，約束（8）確保每個CR被分配到最多一個頻率。在特定的時間和頻率，認為一個疊加模型只有一個CR是活躍的。為防止在一個頻帶中同時傳輸，通過約束（9）來保證這一點。約束（10）表示Xi,f是一個二進制變量。

在每一幀的開始，調度器求解P1，并廣播調度策略x→ ，接著CRS調整天線到分配的頻率上，如果它們被選擇來發送，由于非線性目標函數，P1不易計算求解，P1的最優解可通過對問題的小實例窮舉搜索發現。然而，對有許多CRS和頻率的實際網絡，這樣的解決方法是不恰當的。因此提出了節能效率啟發式調度，它對P1是一個多項式時間的文章啟發式算法。

3 節能效率啟發式調度

定義Cidle表示空閑頻率的集合，R={Ci,f}是各環節li,f有效率的集合,Ntx是CRS一個傳輸請求的集合（即當Q＞0時的CRi）。令ε={Ei,f}，是指能量消耗值的集合，如果CRi指定頻率f和發送這個頻率。Cidle的基數用|Cidle|表示，等于空閑頻率的數目。一個傳輸請求的CRS數目是Ntx={Ntx}。

令ηi,f為CRi通過頻率f傳輸產生的節能效率，用公式表示為：

節能效率啟發式調度貪婪地給在這個頻率能達到最大節能效率，即有最高的ηi,f的CR分配每個空閑頻率，EEHS 操作應用見算法1中列出的步驟。

Algorithm 1. Energy-efficient heuristic scheduler: EEHS

4 結語

在這項工作中，為認知無線電網絡制定了一種節能效率最大化的調度，提出了EEHS，在多項式時間里運行的一個啟發式算法，實現節能效率資源分配。然而，頻譜感知是真正自治的CRNs的主要步驟，今后將把傳輸功率自適應加入到該策略中。

[1]TUMULURU V, WANG P, NIYATO D.A novel spectrum scheduling scheme for multi-channel cognitive radio network and performance analysis[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011（4）：1849-1858.

[2]WANG B, ZHAO D. Scheduling for long term proportional fairness in a cognitive wireless network with spectrum underlay[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010（3）：1150-1158.

[3]SUZAN B, FATIH A. Scheduling in centralized cognitive radio networks for energy efficiency[J]. IEEE Transactions on Vehicular Tech nology, 2013（2）：582-595.

[4]MURTY R, CHANDRA R, MOSCIBRODA T. Senseless: a database driven white spaces network[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2012（2）：189-203.

Research on energy efficiency scheduling modeling for cognitive radio networks

Dong Chunli, Wang Li
（College of Electronic and Information Engineering, Nanjing Vocational Institute of Transport Technology, Nanjing 211188, China）

With the growing concern on environmental issues and the emergence of green communications paradigm, cognitive radio（CR） networks have to be considered from an energy efficiency perspective. It is a nonlinear programming（NLP）problem to formulate the scheduling problem as energy efficiency maximization problem and thereby hard to solve. In order to seek for easier solutions as alternate computation, this paper proposes a polynomial time heuristic algorithm, energy efficiency heuristic scheduler, which allocates each idle frequency to the CR that attains the highest energy efficiency at this frequency.

cognitive radio; energy efficiency；heuristic scheduler；channel switching

南京交通職業技術學院高層次人才科研基金項目；項目編號：No. 440105001。

董春利（1964—），男，山東青島，博士，教授；研究方向：認知無線電網絡，與下一代無線泛在網絡。