認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效率調(diào)度與性能分析

董春利+王莉

摘要：為尋求替代計(jì)算更容易的解決方案，文章提出了一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間啟發(fā)式算法，即節(jié)能效率啟發(fā)式調(diào)度，從而使分配到的每個(gè)空閑頻率的認(rèn)知用戶(hù)達(dá)到最高節(jié)能效率。將原來(lái)的問(wèn)題重新制定了資源分配方案，即基于能耗限制的呑吐量最大化調(diào)度和基于呑吐量保證約束的能耗最小化調(diào)度。這兩個(gè)調(diào)度也提供資源分配公平性的能力。在連續(xù)和分散頻譜情況下，文章分析了節(jié)能效率和所提出的調(diào)度成功傳輸?shù)母怕省Ｐ阅苎芯勘砻鳎啾扔趨淄铝孔畲蠡哪繕?biāo)單純的機(jī)會(huì)調(diào)度，調(diào)度可在更好的節(jié)能效率下達(dá)到幾乎相同的呑吐量性能。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線電；節(jié)能效率；啟發(fā)式調(diào)度；呑吐量性能

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，由于其機(jī)會(huì)傳輸和動(dòng)態(tài)頻譜接入效率計(jì)算如下。

（DynamicSpectrumAlliance，DSA）的能力，使無(wú)線電頻譜得到有效利用。CRNs的集中式資源分配，稱(chēng)為調(diào)度，大多在吞吐量效率視角下得到了很好的研宄[1]。此外，公平性和服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題也有一些研宄[2]。

CRNs的調(diào)度，是一個(gè)非線性規(guī)劃（NonlinearProgramming，NLP）問(wèn)題[3]。為了克服這種計(jì)算的復(fù)雜性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間啟發(fā)式算法，節(jié)能效率啟發(fā)式調(diào)度（EnergyEfficientHeuristicScheduling，EEHS），在基礎(chǔ)上，將原來(lái)的問(wèn)題重新制定了資源分配，基于能耗限制的吞吐量最大化調(diào)度和基于吞吐量保證約束的能耗最小化調(diào)度。

1 節(jié)能效率啟發(fā)式調(diào)度

考慮一個(gè)集中式CRN，服務(wù)7V個(gè)CRS，主網(wǎng)絡(luò)具有F個(gè)非重疊正交頻率。每個(gè)主信道的占用狀態(tài)被建模為一個(gè)兩狀態(tài)的馬爾可夫鏈，表示空閑和繁忙狀態(tài)的信道。一個(gè)信道的空閑概率是Adle。PN和CRN以時(shí)間同步的方式運(yùn)作，后者與前者同步。假定PU頻譜占用，由認(rèn)知基站從外部實(shí)體檢索，如白色空間數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。

在一個(gè)觀察周期調(diào)節(jié)能效率定義為每單位能量消耗所得到的吞吐量。直接來(lái)自這個(gè)正式定義，比特/每焦耳的容量作為一個(gè)度量，衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效率。利用（4）和（5）分別計(jì)算總CRN吞吐量（70和總CRN能耗（E），CRN的節(jié)能節(jié)能效率啟發(fā)式調(diào)度在這個(gè)頻率能達(dá)到最大節(jié)能效率，即有最高的^的CR分配每個(gè)空閑頻率。

2 基于能耗限制的吞吐量最大化調(diào)度

制定集中式資源分配，可以替代為在一定的能源消耗限制下，制定一個(gè)吞吐量最大化問(wèn)題。假設(shè)五max是最大允許能耗，在每幀由調(diào)度確定。設(shè)K是傳輸中的CRS數(shù)量，a是每個(gè)用戶(hù)信道切換的平均數(shù)，乃是CRS傳輸后的平均空閑時(shí)間。因此，U十算如下。

在資源分配中，由于期望調(diào)度是公平的，我們定義了稱(chēng)為滿(mǎn)意率（%）的一個(gè)度量，這是C&的傳輸量與到當(dāng)前時(shí)間，它所產(chǎn)生的總量的比值。在該調(diào)度中，使用滿(mǎn)意率作為一種公平的標(biāo)準(zhǔn)。因此，（1-%）的目的是為了確保一個(gè)公平的概念，有利于CRS降低a^TMER可計(jì)算如下。

3 基于吞吐量保證約束的能耗最小化調(diào)度

類(lèi)似于P2，在最低吞吐量保證下，可以制定一個(gè)能耗最小化問(wèn)題如下。

通過(guò)在TMER中設(shè)置，以及在EMTG中設(shè)置，TMER和EMTG調(diào)度可以轉(zhuǎn)變?yōu)楹雎怨叫缘恼{(diào)度。關(guān)于TMER和EMTG計(jì)算的復(fù)雜性，兩者都是解決LP問(wèn)題，如果用二分圖來(lái)模擬頻率分配問(wèn)題（在h中，CRS作為頂點(diǎn)組，頻率是在其他的頂點(diǎn)組G中），吞吐量最大化對(duì)應(yīng)于這二分圖的最大權(quán)值匹配。在這個(gè)模型中，是頂點(diǎn)/和頂點(diǎn)，之間邊的權(quán)重。

4 性能分析

為認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)制定了一種節(jié)能效率最大化的調(diào)度，提出了EEHS，在多項(xiàng)式時(shí)間里運(yùn)行的一個(gè)啟發(fā)式算法，為節(jié)能效率資源分配。由于EEHS可能缺乏有效的吞吐量效率，重新制定了資源分配，基于能耗限制的吞吐量最大化調(diào)度和基于吞吐量保證約束的能耗最小化調(diào)度。

實(shí)驗(yàn)評(píng)估了這些調(diào)度的性能，并與常用的吞吐量最大化調(diào)度（MRHS）進(jìn)行了比較。此外，將注意力集中在頻譜組織。可用于CRN使用的頻譜可能包括相鄰的頻帶，或可能是一個(gè)頻譜遠(yuǎn)的頻帶（也稱(chēng)為片段）組成。第二種情況下的頻率分離，可確定被分配的一個(gè)CR頻率范圍，因?yàn)樾诺狼袚Q時(shí)間和能量消耗取決于兩個(gè)頻帶之間的頻率分離。MRHS具有較低的能量效率性能，相比節(jié)能效率啟發(fā)式調(diào)度，基于吞吐量保證約束的能耗最小化調(diào)度（EMTG）和基于能耗限制的吞吐量最大化調(diào)度（TMER）。此外，實(shí)際操作條件下的吞吐量性能（如充分?jǐn)?shù)量的頻率）是相似的。因此，考慮能量效率或者能量消耗的調(diào)度，對(duì)能量有效的CRNs，應(yīng)該是作為優(yōu)先的調(diào)度方案。考慮到公平性，在低流量負(fù)荷和均質(zhì)條件下，所有方案幾乎和預(yù)期同樣服務(wù)于CRs。另一方面，在非均質(zhì)流量和鏈路質(zhì)量條件下，EEHS和MRHS作為機(jī)會(huì)調(diào)度，不能在CRs中提供公平性。相反，在資源配置中，EMTG和TMER在CRs中提供了一個(gè)良好的平衡。實(shí)驗(yàn)顯示，通過(guò)考慮信道切換的成本和避免遠(yuǎn)頻帶間的跳頻，所提出的調(diào)度可以防止頻譜分裂。

[參考文獻(xiàn)]

[1]TUMULURUV，WANGP？NIYATOD.Anovelspectrumschedulingschemeformulti-channelcognitiveradionetworkandperformanceanalysis[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，2011（4）：1849-1858.

[2]WANGB？ZHAOD.Schedulingforlongtermproportionalfairnessinacognitivewirelessnetworkwithspectrumunderlay[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications，2010（3）：1150-1158.

[3JSUZANB？ALAGOZF.Schedulingincentralizedcognitiveradionetworksforenergyefficiency[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology？2013（2）：582-595.

[4]MURTYR？CHANDRAR，MOSCIBRODAT.Senseless：Adatabasedrivenwhitespacesnetwork[J].IEEETransactionsonMobileComputing，2012（2）：189-203.endprint