認知網絡中基于切換概率的頻譜空洞匹配方案

吳瓊　曾亞　王旭東　顏愛良　鄒維軍

摘要：針對目前認知無線網絡中，只考慮授權用戶的服務質量，很少考慮次用戶服務質量的問題，兼顧無線頻譜資源的使用效率，文中提出一種基于切換概率的頻譜匹配方案，算法通過限制次用戶通信過程中的切換概率，保證次用戶的服務質量，使次用戶在通信過程中的切換次數減少。仿真結果表明，使用切換概率與目標頻譜切換概率 進行匹配的方案可以更好的保證次用戶系統的服務質量，減少頻譜切換的次數。

關鍵詞：認知無線網絡；頻譜空洞；切換概率

中圖分類號：TN911.3 7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0055-03

1 引言

在認知無線電網絡中，次用戶機會式地使用授權頻譜，當授權用戶出現時，次用戶必須撤出重新選擇合適的信道進行切換，以完成通信，這樣對次用戶的服務質量帶來很大影響。在認知無線電的研究過程中，如何保證次用戶的服務質量是一個十分重要的問題。在文獻[1]中目標信道的選擇是由服務時間大小來決定。文獻[2]中通過共用同一頻段范圍內來提高頻譜使用率等。目前的研究大都基于授權用戶的服務質量，保證授權用戶在通信過程中不受干擾，很少有文章涉及如何對次用戶的服務質量進行保證[3]。然而，認知無線電研究的就是在授權用戶不使用頻譜進行通信時，次用戶“見縫插針”的使用頻譜進行通信，提高頻譜的使用率。如果只能保證授權用戶的服務質量，次用戶的服務質量不能保證，次用戶在通信過程中就會不同的進行頻譜切換，頻繁的切換會帶來較大的通信時延，甚至在通信未完成的情況下，次用戶就不得不中斷通信。針對這個問題，文中提出一種基于切換概率的頻譜匹配方案，該算法通過限制次用戶在通信過程中的切換概率，減少次用戶在通信過程中的切換次數，進而保證次用戶通信過程中的服務質量。

2 基于切換概率的頻譜空洞匹配方案

2.1 切換概率與系統的服務質量

為次用戶匹配一個最合適的頻譜空洞是認知無線電系統中保證服務質量的一個最重要問題。不同的頻譜空洞具體不同的特征，其傳輸的業務也不同，頻譜空洞與業務示意圖如圖1所示。

假定空洞時間是隨機變量，第j個頻譜空洞的空洞時間服從參數為的負指數分布，是指頻譜空洞的空閑時間，根據次用戶進行頻譜切換的概念，當需要的頻譜空洞的空閑時間不能滿足次用戶通信過程中所需的傳輸時間時則需要發生切換，公式2.1表示次用戶需要進行頻譜切換的條件：

2.2 基于切換概率的頻譜空洞匹配算法

從公式2.4可以看出，使通信系統中存在的次用戶在通信過程中盡量都不發生切換，使系統的通信服務質量最高，才是最優的頻譜匹配方案。簡言之，通信系統的PQ最大才能保證服務質量最優。然而，這是理想狀態，在現實通信情況下，授權用戶和次用戶的出現都是不固定的，頻譜空洞也是動態隨機的，達到這一理想狀態是不服實際的，次用戶在通信過程中不可避免的會出現頻譜切換。為了解決這一問題同時可以提高頻譜的使用效率，提出了一個新的頻譜空洞匹配算法，在給次用戶分配頻譜空洞時優先為其分配一個與自身業務特性最匹配的頻譜空洞。

影響服務質量的因素有很多，文中我們僅從次用戶通信過程中發生頻譜切換的角度進行定義，定義如下：在保證次用戶i在通信過程中的服務質量其他下，次用戶i在通信中可以發生的最小不切換概率為，在次用戶的通信中，如果不切換的概率不大于這個值，那么就可以保證次用戶的通信服務質量。根據定義，最小不切換概率為，那么所允許的次用戶通信過程中最大的切換概率便為1-，我們定義為目標切換概率。

為了保證次用戶的通信服務質量，在為次用戶選擇通信的頻譜空洞時，要保證次用戶在通信過程中的切換概率小于1-；考慮到無線頻譜資源的有效使用，在為次用戶匹配頻譜空洞時，我們優先為其匹配一個切換概率與其所要求的目標切換概率最相近的一個，如下面公式2.5所示。

2.3 算法描述

2.3.1 本章具體的算法流程圖

本章提出基于切換概率的頻譜空洞匹配算法，具體可以用圖2表示。

2.3.2 算法描述

該算法的執行過程如下：

Step1，首先初始化保證次用戶業務通信服務質量的。

Step2，然后計算次用戶目標切換概率1-。

Step3，計算在不同的頻譜空洞上進行通信時的實際切換概率。

Step4，按照，找出目標頻譜空洞j。

Step5，將頻譜空洞j匹配給與之對應的次用戶i。

Step6，完成匹配算法結束。

2.4 性能分析與仿真

假設有M個不同的頻譜空洞，Bj表示頻譜空洞j的帶寬，頻譜空洞的時間服從參數為負指數分布。Li表示服務數據量的總數，Treq，i表示次用戶需要的通信服務時間。次用戶在通信過程中，如果授權用戶出現了，此時次用戶需要重新尋找合適的頻譜空洞進行切換，以便完成后續通信。假定參數服從[10，300]的均勻分布，服從[1/2000，1/200]的均勻分布。

由圖3可見，次用戶越多，PQ越小，系統的服務質量越差，發生頻譜切換的次用戶越多，次用戶的服務質量越差；如果保持次用戶數保持不變，次用戶數不管是5個還是20個，文中所提算法的PQ都比隨機算法得值更優。因此，文中算法可以更好的保證次用戶的通信服務質量。

從圖4與5可以看出：隨著次用戶數的增加，頻譜空洞不管多少，次用戶發生切換的次數都相應增加。相比隨機匹配算法，使用文中所提算法，發生切換的次數明顯減少，提高了系統的通信性能，次用戶的通信服務質量也得到了進一步保證。

3 結語

當授權用戶導致次用戶需要發生頻譜切換時，文中兼顧無線頻譜資源的使用率及次用戶的通信服務質量，提出了一種基于切換概率的頻譜空洞匹配算法。并且對該方案進行了仿真分析，仿真結果表明使用該方案可以有效地保證次用戶的服務質量，減少發生頻譜切換的次數。

參考文獻

[1]Chung-Wang Wang； Li-Chung Wang； Modeling and Analysis for Proactive-Decision Spectrum Handoff in Cognitive Radio Networks[C].Communications， 2009. ICC ‘09. IEEE International Conference on 14-18 June 2009 Page（s）：1-6.

[2]T.Weiss and F.Jondral. Spectrum pooling： An innovative strategy for the enhancement of spectrum efficiency [J]. IEEE Communication magazine，2004：S8-S14.

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[4]Ohyun Jo， Dong-Ho Cho. Efficient Spectrum Matching Based on Spectrum Characteristics in Cognitive Radio Systems [J].Wireless Telecommunications Symposium， 2008. WTS 2008 Page（s）：230-235.