帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道分配策略研究

趙 媛 向志宇

(東北大學(xué)秦皇島分校計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 河北 秦皇島 066004)

0 引 言

近些年,由于通信技術(shù)的訪問量和數(shù)據(jù)量持續(xù)增加,頻譜資源中能夠有效分配給用戶并能夠滿足用戶需求的頻譜數(shù)目已經(jīng)開始短缺,由用戶需求的多元化所導(dǎo)致的無線頻譜技術(shù)性短缺的問題日漸明顯[1]。為了解決這樣的問題,當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)人員在頻譜技術(shù)上投入了大量的精力和時(shí)間,認(rèn)知無線電頻譜管理技術(shù)成為關(guān)注熱點(diǎn)之一[2]。

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果和相關(guān)文件都顯示了“利用率低”才是導(dǎo)致頻譜資源匱乏的真正原因,各國科學(xué)研究人員的研究重心也是如何合理分配頻譜資源[3]。而目前主要通過“授權(quán)”的方式將這些頻譜資源進(jìn)行分配,這些有限的頻譜資源的某些頻段的使用權(quán)歸某一些運(yùn)營商所獨(dú)有[4]。不同的頻譜分配方法往往能夠?qū)崿F(xiàn)不同的效果,好的頻譜分配方法往往能夠帶來更好的用戶體驗(yàn),提高頻譜資源的利用率。

認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中主要由兩部分不同類型的用戶所構(gòu)成:授權(quán)用戶(Primary Users,PUs)和認(rèn)知用戶(Secondary Users,SUs),其中授權(quán)用戶憑借自身獨(dú)特的地位,享有高于認(rèn)知用戶的優(yōu)先級(jí)。在傳統(tǒng)通信中,為了確保授權(quán)用戶的傳輸品質(zhì),往往會(huì)中斷部分正在使用信道的認(rèn)知用戶的傳輸,即授權(quán)用戶可以通過搶占的方式獲得信道資源[5]。而認(rèn)知用戶需要感知頻譜是否存在授權(quán)用戶,機(jī)會(huì)式地使用未被授權(quán)用戶占用的信道,并需要承擔(dān)極大的風(fēng)險(xiǎn)[6]。授權(quán)用戶到達(dá)的隨機(jī)性往往會(huì)對(duì)認(rèn)知用戶造成顯著的延遲,這使得認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量大大降低,尤其是對(duì)于那些即將傳輸完成的認(rèn)知用戶來說,情況更為糟糕[7]。

近些年來,研究人員為提升認(rèn)知用戶的傳輸質(zhì)量展開了大量研究。關(guān)于傳輸功率控制方面,文獻(xiàn)[8]以最大化認(rèn)知用戶平均總和速率為目的,研究了多頻帶下的認(rèn)知用戶最佳頻譜接入控制和功率控制,基于泊松點(diǎn)過程模型,得到認(rèn)知用戶中斷率以及平均總和速率指標(biāo)圖,最后給出了獲得最大認(rèn)知用戶平均總和速率的頻譜接入控制算法和功率控制算法。文獻(xiàn)[9]提出了一種新的多級(jí)功率分配策略,認(rèn)知用戶根據(jù)授權(quán)用戶的狀態(tài)選擇等待或以恒定功率進(jìn)行傳輸,允許認(rèn)知用戶根據(jù)設(shè)計(jì)的方式選擇不同的功率,相較于傳統(tǒng)策略,該策略能夠提升認(rèn)知用戶的吞吐量。文獻(xiàn)[10]提出一種網(wǎng)絡(luò)基站節(jié)能策略,以動(dòng)態(tài)調(diào)配頻譜資源的方式為基礎(chǔ),結(jié)合休眠模式和基站激活活動(dòng),建立起一個(gè)帶有休眠延遲以及啟動(dòng)過程的多重工作休假排隊(duì)模型。給出了認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間和相關(guān)的系統(tǒng)節(jié)能率的數(shù)值表達(dá)式,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該策略的可行性,實(shí)現(xiàn)低能耗與低認(rèn)知用戶延遲時(shí)間兩者間的協(xié)調(diào)。文獻(xiàn)[11]研究了在保持認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾在一定閾值之下,通過縮短傳輸時(shí)間來提高使用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的認(rèn)知用戶的吞吐量,進(jìn)而最大限度提升認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的容量。文獻(xiàn)[12]基于Underlay訪問原則,提出了一種用于多信道的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)信道訪問策略,考慮信道組合、頻譜自適應(yīng)、受限信道的占用,介紹了一種允許授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶共同訪問部分信道的模式。

與文獻(xiàn)[12]不同,本文基于Overlay訪問原則,提出一種帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道頻譜分配策略。該策略仍以保障授權(quán)用戶的通信質(zhì)量為前提,對(duì)傳統(tǒng)的雙信道機(jī)制改進(jìn)。假設(shè)其中一條信道為認(rèn)知用戶所預(yù)留,在該信道上傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶不會(huì)被中斷;另一條信道為傳統(tǒng)的普通信道,授權(quán)用戶能夠中斷正在使用該信道的認(rèn)知用戶的傳輸。在系統(tǒng)緩存有空位的情況下,被中斷的認(rèn)知用戶返回緩存等待。通過建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),與傳統(tǒng)雙信道策略進(jìn)行性能對(duì)比,驗(yàn)證了所提出的帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道分配策略的有效性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道分配策略

如圖1所示,假設(shè)系統(tǒng)中有兩條信道,每條信道一次只能服務(wù)一個(gè)PU或者一個(gè)SU,在同一時(shí)隙下每種用戶最多只能到達(dá)一個(gè),為SU設(shè)置大小為k的緩存隊(duì)列。兩條信道中,一條為認(rèn)知用戶預(yù)留,稱之為預(yù)留信道,在該信道上傳輸?shù)腟U不會(huì)被PU所中斷,一直傳輸直到完成離開系統(tǒng);另一條為普通信道,在該信道上傳輸?shù)腟U數(shù)據(jù)包需要感知是否有新到達(dá)的PU數(shù)據(jù)包,若檢測(cè)到有新到達(dá)的PU數(shù)據(jù)包,則在該信道傳輸?shù)腟U將會(huì)被新到達(dá)的PU中斷。在緩存有空位的情況下,被中斷的SU將會(huì)被調(diào)入緩存,按排隊(duì)順序等待,當(dāng)有空閑信道時(shí)才能重新進(jìn)行傳輸;若此時(shí)緩存已滿,則傳輸中斷,該SU掉包,新到達(dá)的PU將獲得該信道的使用權(quán)。在兩條信道均空閑時(shí),PU優(yōu)先接入普通信道進(jìn)行傳輸,SU優(yōu)先接入預(yù)留信道進(jìn)行傳輸。

圖1 帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道分配策略機(jī)制

為提升系統(tǒng)中認(rèn)知用戶綜合傳輸性能,設(shè)立系統(tǒng)自我檢測(cè)機(jī)制。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)包完成傳輸離開系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)就會(huì)分析此時(shí)信道的使用狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)SU數(shù)據(jù)包在普通信道上傳輸而預(yù)留信道空閑的狀態(tài),便會(huì)將這個(gè)SU數(shù)據(jù)包從普通信道調(diào)度到預(yù)留信道,調(diào)度完成之后再考慮其他數(shù)據(jù)包的接入請(qǐng)求。

1.2 兩類服務(wù)臺(tái)的雙服務(wù)臺(tái)排隊(duì)模型建立

將雙信道抽象為雙服務(wù)臺(tái),其中:普通信道抽象為普通服務(wù)臺(tái);預(yù)留信道抽象為預(yù)留服務(wù)臺(tái)。以帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道分配策略為基礎(chǔ),基于早到離散時(shí)間排隊(duì)系統(tǒng),建立一個(gè)帶有兩類服務(wù)臺(tái)的排隊(duì)模型。

設(shè)授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的到達(dá)分別遵守參數(shù)λ1(λ1>0)和λ2(λ2>0)的幾何分布,其中:λ1代表授權(quán)用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率;λ2代表認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)率。設(shè)授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的服務(wù)分別遵守參數(shù)μ1(μ1>0)和μ2(μ2>0)的幾何分布,其中:μ1代表授權(quán)用戶數(shù)據(jù)包服務(wù)率;μ2代表認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包服務(wù)率。

令X(t)=i(i=0,1,2,…),Y(t)=j(j=0,1,2,3),其中:i表示系統(tǒng)中用戶數(shù)據(jù)包的總數(shù);j表示信道的4種不同使用狀態(tài),共有4種情況,分別用0、1、2、3表示。

當(dāng)j=0時(shí),表示信道上無PU數(shù)據(jù)包,即狀態(tài)(i,0)。若i=0,即狀態(tài)(0,0)表示系統(tǒng)中沒有用戶數(shù)據(jù)包;若i>0,則表示系統(tǒng)中共有i個(gè)用戶數(shù)據(jù)包,無PU數(shù)據(jù)包,這i個(gè)用戶數(shù)據(jù)包均為SU數(shù)據(jù)包,特別地當(dāng)i=1時(shí),即狀態(tài)(1,0)表示存在一個(gè)SU數(shù)據(jù)包在預(yù)留信道傳輸(根據(jù)帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道頻譜分配策略中的自我檢測(cè)機(jī)制,系統(tǒng)中不存在僅有一個(gè)SU數(shù)據(jù)包在普通信道傳輸?shù)那闆r)。

當(dāng)j=1時(shí),表示信道上有1個(gè)PU數(shù)據(jù)包,這個(gè)PU數(shù)據(jù)包正在普通信道上傳輸,即狀態(tài)(i,1)。若i=1,即狀態(tài)(1,1)表示系統(tǒng)中共有1個(gè)用戶數(shù)據(jù)包,這個(gè)數(shù)據(jù)包是PU數(shù)據(jù)包,這個(gè)PU數(shù)據(jù)包在普通信道上傳輸;若i>1時(shí)則表示系統(tǒng)中共有i個(gè)用戶數(shù)據(jù)包(i-1個(gè)SU數(shù)據(jù)包,1個(gè)PU數(shù)據(jù)包),其中一個(gè)PU數(shù)據(jù)包在普通信道上傳輸,一個(gè)SU數(shù)據(jù)包在預(yù)留信道上傳輸,剩余i-2個(gè)SU數(shù)據(jù)包在緩存等待。

當(dāng)j=2時(shí),表示信道上有1個(gè)PU數(shù)據(jù)包,這個(gè)PU數(shù)據(jù)包在預(yù)留信道上傳輸,即狀態(tài)(i,2)。若i=1,即狀態(tài)(1,2)表示系統(tǒng)中共有1個(gè)用戶數(shù)據(jù)包,這個(gè)數(shù)據(jù)包是PU數(shù)據(jù)包,這個(gè)PU數(shù)據(jù)包在預(yù)留信道上傳輸;若i>1則表示系統(tǒng)中共有i個(gè)用戶數(shù)據(jù)包(i-1個(gè)SU數(shù)據(jù)包,1個(gè)PU數(shù)據(jù)包),其中有一個(gè)PU數(shù)據(jù)包在預(yù)留信道上傳輸,一個(gè)SU數(shù)據(jù)包在普通信道上傳輸,剩余i-2個(gè)SU數(shù)據(jù)包在緩存等待。

當(dāng)j=3時(shí),表示信道上有2個(gè)PU數(shù)據(jù)包,即狀態(tài)(i,3)。當(dāng)i≥2,表示系統(tǒng)中共有i個(gè)用戶數(shù)據(jù)包(i-2個(gè)SU數(shù)據(jù)包,2個(gè)PU數(shù)據(jù)包),其中:2個(gè)PU數(shù)據(jù)包正占用兩條信道;i-2個(gè)SU數(shù)據(jù)包在緩存等待。

因此,{(X(t),Y(t):t≥0)}構(gòu)成了一個(gè)狀態(tài)空間如式(1)的二維的馬爾可夫鏈。

Ω=(0,0)∪(1,0)∪(1,1)∪(1,2)∪

{(i,0)∪(i,1)∪(i,2)∪(i,3):2≤i≤k+2}

(1)

1.3 系統(tǒng)一步轉(zhuǎn)移概率矩陣

記W為二維馬爾可夫鏈{(X(t),Y(t):t≥0)}的一步轉(zhuǎn)移概率矩陣,Wx,y表示系統(tǒng)由水平x經(jīng)過一步轉(zhuǎn)移達(dá)到水平y(tǒng)的轉(zhuǎn)移概率子矩陣,故W可以通過子矩陣表達(dá)為如下形式。

(2)

下面詳細(xì)給出各個(gè)非零子矩陣Wi,j的分析過程:

W0,0表示在該一步轉(zhuǎn)移中,系統(tǒng)水平保持在狀態(tài)0無改變,W0,1表示在該一步轉(zhuǎn)移中,系統(tǒng)水平從狀態(tài)0跳轉(zhuǎn)到了狀態(tài)1,W0,2表示在該一步轉(zhuǎn)移中,系統(tǒng)水平從狀態(tài)0跳轉(zhuǎn)到了狀態(tài)2。其形式如下:

W0,2=(0,λ1λ2,0,0)1×4

(5)

同樣W1,0表示在該一步轉(zhuǎn)移中,系統(tǒng)水平由狀態(tài)1跳轉(zhuǎn)到了狀態(tài)0,W1,1表示在該一步轉(zhuǎn)移中,系統(tǒng)水平保持狀態(tài)1不變,W1,2表示在該一步轉(zhuǎn)移中,系統(tǒng)水平由狀態(tài)1跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2,W1,3表示在該一步轉(zhuǎn)移中,系統(tǒng)水平由狀態(tài)1跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)3,其具體形式分別如下:

(7)

(8)

類比上述分析,可以得到W2,0、W2,1、W2,2、W2,3、W2,4的具體形式分別如下:

(11)

(12)

其中:

其中:

類比分析得到W3,1、W3,2、W4,2的具體形式如下:

(16)

通過分析可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律,當(dāng)緩存容量k≥3時(shí):

有W3,3=W2,2,W3,4=W2,3,W3,5=W2,4,對(duì)于水平i,當(dāng)4≤i≤k時(shí):Wi,i-2=W4,2,Wi,i-1=W3,2,Wi,i=W2,2,Wi,i+1=W2,3,Wi,i+2=W2,4:當(dāng)i=k+1時(shí):Wi,i-2=W4,2,Wi,i-1=W3,2,Wi,i=W2,2,Wi,i+1=W2,3+W2,4;當(dāng)i=k+2時(shí):Wi,i-2=W4,2,Wi,i-1=W3,2,Wi,i=W2,2+W2,3+W2,4;特別地,當(dāng)緩存容量k=1或k=2時(shí),可類比得到其對(duì)應(yīng)矩陣,這里不再詳細(xì)贅述。

定義該二維連續(xù)時(shí)間馬爾可夫鏈的平穩(wěn)概率分布πi,j為:

因此,系統(tǒng)所處的穩(wěn)態(tài)概率分布Π就可以表示成為:

Π=(π0,0,π1,0,π1,1,π1,2,π2,0,π2,1,π2,2,π2,3,…,

πk+2,0,πk+2,1,πk+2,2,πk+2,3)

(18)

由平衡方程ΠW=Π和歸一化條件Πe=1可以解得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分布Π,其中e是一個(gè)全1的列向量。

2 系統(tǒng)性能指標(biāo)表達(dá)式和數(shù)值實(shí)驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)性能指標(biāo)數(shù)值表達(dá)式

認(rèn)知用戶請(qǐng)求接入系統(tǒng),但被系統(tǒng)拒絕的非主動(dòng)離開系統(tǒng)的現(xiàn)象即為認(rèn)知用戶的阻塞。在一個(gè)時(shí)隙下發(fā)生了阻塞情況的SU的總個(gè)數(shù)便是阻塞率。認(rèn)知用戶阻塞率的表達(dá)式為:

認(rèn)知用戶中斷率是指在一個(gè)時(shí)隙下,被新到達(dá)的PU所中斷的SU總數(shù)目。其表達(dá)式為:

認(rèn)知用戶吞吐率能夠很好地反映出系統(tǒng)中認(rèn)知用戶的傳輸質(zhì)量,它是指在一個(gè)時(shí)隙下獲得信道使用權(quán)并且完成了數(shù)據(jù)傳送的SU總數(shù)目。其表達(dá)式為:

θ=λ2-β-ξ

(21)

認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間表示SU從接入系統(tǒng)到離開系統(tǒng)所經(jīng)過的平均時(shí)間間隔。其在數(shù)值上等于SU數(shù)據(jù)包在緩存隊(duì)列中的平均等待時(shí)間以及在信道上的平均使用時(shí)間之和。該性能指標(biāo)的表達(dá)式為:

(22)

2.2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

基于上述性能指標(biāo)表達(dá)式,通過MATLAB進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)得到了各項(xiàng)系統(tǒng)性能指標(biāo)隨緩存容量的變化趨勢(shì)圖。實(shí)驗(yàn)中定值參數(shù)設(shè)置為:SU到達(dá)率λ2=0.25,PU到達(dá)率λ1=0.20,SU服務(wù)率μ2=0.20。此外,為研究授權(quán)用戶對(duì)認(rèn)知用戶的影響,設(shè)置PU服務(wù)率的變化范圍為μ1=(0.10,0.15,0.20),設(shè)置SU緩存容量k=(1,2,…,10)。為了更好地分析所提出的預(yù)留信道機(jī)制下認(rèn)知用戶的傳輸性能,數(shù)值實(shí)驗(yàn)中加入普通雙信道機(jī)制進(jìn)行對(duì)比。

如圖2所示,認(rèn)知用戶的緩存容量k越大,其阻塞率β就越低。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)緩存占滿時(shí)才會(huì)發(fā)生阻塞,而緩存容量越大,系統(tǒng)中可以容納的認(rèn)知用戶數(shù)目就越多,緩存占滿的可能性就越低,認(rèn)知用戶的阻塞率就越低。在同樣的緩存容量k下,認(rèn)知用戶的阻塞率β隨著授權(quán)用戶服務(wù)率μ1增大而降低,這是因?yàn)槭跈?quán)用戶的服務(wù)率越大,系統(tǒng)中授權(quán)用戶的傳輸就能更快完成,從而將信道資源更多地留給認(rèn)知用戶使用,認(rèn)知用戶占滿緩存的可能性就更低,因此認(rèn)知用戶的阻塞率就更低。在同樣的授權(quán)用戶服務(wù)率μ1和同樣緩存容量k下,帶有預(yù)留信道的雙信道機(jī)制的認(rèn)知用戶阻塞率β低于普通雙信道機(jī)制,這是因?yàn)樵陬A(yù)留信道機(jī)制中,預(yù)留信道上傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶不會(huì)受新到達(dá)的授權(quán)用戶所影響,從而在相同時(shí)間內(nèi)能夠有更多的認(rèn)知用戶完成傳輸,降低了緩存占滿的可能性,所以認(rèn)知用戶的阻塞率也更低。

圖2 認(rèn)知用戶阻塞率變化

如圖3所示,隨著為認(rèn)知用戶設(shè)置的緩存容量k增大,認(rèn)知用戶的中斷率γ呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。由于中斷是指新到達(dá)的授權(quán)用戶搶占在信道上傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶的信道使用權(quán),迫使認(rèn)知用戶中止傳輸?shù)默F(xiàn)象。而緩存容量越大,系統(tǒng)中允許容納的認(rèn)知用戶數(shù)目越多,緩存中排隊(duì)等待的認(rèn)知用戶數(shù)目就越多,系統(tǒng)中一旦有信道空閑下來,就會(huì)從緩存中調(diào)度一個(gè)認(rèn)知用戶使用該信道,信道由認(rèn)知用戶占據(jù)的可能性增加了。又由于認(rèn)知用戶占用信道正是中斷發(fā)生的前提條件,因此認(rèn)知用戶發(fā)生中斷的可能性也相應(yīng)增加。在同一緩存容量k下,認(rèn)知用戶的中斷率γ伴隨授權(quán)用戶的服務(wù)率μ1增加而增加,這是因?yàn)槭跈?quán)用戶的服務(wù)率越高,系統(tǒng)中授權(quán)用戶的傳輸就能更快完成,相同時(shí)間內(nèi)接入信道進(jìn)行傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶數(shù)目就越多,信道上可能被授權(quán)用戶中斷的認(rèn)知用戶數(shù)目也就越多,阻塞率也就更高。在同樣的授權(quán)用戶服務(wù)率μ1和同樣緩存容量k下,預(yù)留信道機(jī)制的認(rèn)知用戶中斷率γ比普通雙信道機(jī)制更低,這是因?yàn)樵陬A(yù)留信道機(jī)制中,預(yù)留信道上傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶不會(huì)被新到達(dá)的授權(quán)用戶中斷,只有當(dāng)其完成傳輸后才會(huì)離開系統(tǒng),而普通雙信道機(jī)制中兩條信道上傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶都可能被中斷,故預(yù)留信道機(jī)制中認(rèn)知用戶的中斷率更低。

圖3 認(rèn)知用戶中斷率變化趨勢(shì)

如圖4所示,認(rèn)知用戶的吞吐率θ隨著為認(rèn)知用戶設(shè)置的緩存容量k的增加而呈上升趨勢(shì),這是因?yàn)榫彺嫒萘吭酱?系統(tǒng)能夠接納的認(rèn)知用戶數(shù)就越多,系統(tǒng)中一旦有信道空閑下來,就會(huì)從緩存中調(diào)度一個(gè)認(rèn)知用戶使用該信道,相同時(shí)間內(nèi)占用信道進(jìn)行傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶數(shù)目增多,故其吞吐率也增大。在同樣緩存容量k下,認(rèn)知用戶的吞吐率θ會(huì)隨著授權(quán)用戶的服務(wù)率μ1的增大而增大,這是因?yàn)槭跈?quán)用戶服務(wù)率越高,相同時(shí)間內(nèi)完成傳輸?shù)氖跈?quán)用戶也就越多,進(jìn)而能讓更多的認(rèn)知用戶接入信道進(jìn)行傳輸,認(rèn)知用戶的吞吐率就更高。在同樣的授權(quán)用戶服務(wù)率μ1和同樣緩存容量k下,帶有預(yù)留信道的雙信道機(jī)制的認(rèn)知用戶吞吐率θ比普通雙信道機(jī)制更高,這是因?yàn)樵陬A(yù)留信道機(jī)制中,預(yù)留信道上傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶不會(huì)被中斷,接入信道后能夠持續(xù)傳輸直到傳輸完成離開系統(tǒng),其綜合傳輸效率提高,故吞吐率更大。

圖4 認(rèn)知用戶吞吐率變化趨勢(shì)

如圖5所示,認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間δ隨著為認(rèn)知用戶設(shè)置的緩存容量k的增大而呈上升趨勢(shì),這是因?yàn)橄到y(tǒng)中緩存容量越大,允許接入系統(tǒng)排隊(duì)等待的認(rèn)知用戶數(shù)目就越多,因此認(rèn)知用戶的平均時(shí)延就越大。在同樣緩存容量k下,認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間δ隨著授權(quán)用戶的服務(wù)率μ1的增大而減小,這是由于授權(quán)用戶的服務(wù)率越大,相同時(shí)間內(nèi)完成傳輸?shù)氖跈?quán)用戶數(shù)目越多,進(jìn)而能讓更多的認(rèn)知用戶接入信道進(jìn)行傳輸,認(rèn)知用戶排隊(duì)隊(duì)長就越短,從而平均延遲時(shí)間更低。在同樣的授權(quán)用戶服務(wù)率μ1和同樣緩存容量k下,帶有預(yù)留信道的雙信道機(jī)制的認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間δ比普通均可搶占的雙信道機(jī)制的更低。因本文研究的帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道頻譜分配策略中,認(rèn)知用戶的綜合傳輸質(zhì)量更高,緩存中排隊(duì)等待的認(rèn)知用戶數(shù)目更少,故其平均延遲時(shí)間更低。

圖5 認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間變化趨勢(shì)

3 系統(tǒng)性能優(yōu)化

考慮到認(rèn)知用戶緩存容量k越大,其吞吐率θ就越大,這個(gè)情況是希望看到的,然而隨著緩存容量k的增大,其平均延遲時(shí)間δ也會(huì)隨之增大,這并不是研究所希望看到的。因此,折中吞吐率θ與認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間δ兩項(xiàng)系統(tǒng)性能指標(biāo),構(gòu)造如下系統(tǒng)收益函數(shù):

R(k)=aθ-bδ

(23)

式中:a表示一個(gè)SU成功傳輸所獲得的系統(tǒng)收益;b表示每單位平均延遲時(shí)間所消耗的系統(tǒng)收益。設(shè)置a=120,b=0.2,根據(jù)式(23)可以得到最佳緩存容量k*表達(dá)式如下:

如圖6所示,系統(tǒng)收益R先會(huì)隨著緩存容量k的增大而增大,但是隨著緩存容量繼續(xù)增大,系統(tǒng)收益會(huì)慢慢下降。這是因?yàn)?在上升階段,影響系統(tǒng)收益的主要因子為認(rèn)知用戶吞吐率θ,其對(duì)系統(tǒng)收益的影響大于平均延遲時(shí)間δ。在下降階段,影響系統(tǒng)收益的主要因子為認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間δ,其對(duì)系統(tǒng)收益的影響大于認(rèn)知用戶吞吐率θ。在同樣的授權(quán)用戶服務(wù)率μ1和同樣緩存容量k下,帶有預(yù)留信道的雙信道機(jī)制的認(rèn)知用戶收益R比普通均可搶占的雙信道機(jī)制的認(rèn)知用戶收益R更高。

圖6 認(rèn)知用戶收益變化趨勢(shì)

表1展示了不同授權(quán)用戶服務(wù)率下,預(yù)留信道機(jī)制中各最優(yōu)認(rèn)知用戶緩存容量。可以看出,不同授權(quán)用戶的服務(wù)率對(duì)應(yīng)有不同的最優(yōu)認(rèn)知用戶緩存容量。觀察發(fā)現(xiàn),授權(quán)用戶服務(wù)率越大,其最優(yōu)緩存容量越大,最大系統(tǒng)收益也越大。原因可能是授權(quán)用戶服務(wù)率越大,授權(quán)用戶的傳輸就能更快完成,允許接入信道的認(rèn)知用戶數(shù)目就更多,認(rèn)知用戶的平均延遲時(shí)間也就更小,允許設(shè)置的緩存容量就可以更大,同時(shí)認(rèn)知用戶的吞吐率增加,故最大系統(tǒng)收益也就更大。

表1 預(yù)留信道機(jī)制中各授權(quán)用戶服務(wù)率下最大系統(tǒng)收益

表2展示了不同授權(quán)用戶服務(wù)率下,普通雙信道機(jī)制中各最優(yōu)認(rèn)知用戶緩存容量。對(duì)比表1和表2可以看出,在同樣授權(quán)用戶服務(wù)率μ1下,帶有預(yù)留信道的雙信道機(jī)制的最大系統(tǒng)收益更大。即帶有預(yù)留信道的雙信道機(jī)制關(guān)于系統(tǒng)收益的認(rèn)知用戶性能更高。

表2 普通雙信道機(jī)制中各授權(quán)用戶服務(wù)率下最大系統(tǒng)收益

4 結(jié) 語

為了提高認(rèn)知用戶的綜合傳輸性能,本文提出一種帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道頻譜分配策略。通過建立一種帶有兩類服務(wù)臺(tái)的排隊(duì)模型,在MATLAB上進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn),結(jié)合數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到結(jié)論:帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道頻譜分配策略能夠顯著降低認(rèn)知用戶阻塞率、認(rèn)知用戶中斷率和認(rèn)知用戶平均延遲時(shí)間,提高認(rèn)知用戶吞吐率以及相同條件下的系統(tǒng)收益。因此帶有認(rèn)知用戶預(yù)留信道的雙信道頻譜分配策略能夠更好地提升認(rèn)知用戶的傳輸質(zhì)量,保證認(rèn)知用戶的傳輸連續(xù)性。