非實時業務下認知網絡的頻譜共享

齊 博,張陸勇,張秋月,趙小川

(1.北京郵電大學,北京100876;

2.中國航天科工集團第三十三研究所,北京100074)

0 引言

認知網絡中的頻譜共享問題一直是認知無線電理論研究的熱點問題之一。目前已經提出了許多用于分析頻譜共享的方法。博弈論[1]是用來對決策者的一些互有的可能沖突的連續的特殊行為進行建模求解的學科。應用博弈論方法,可以有效地解決分布式認知網絡中各非授權用戶的最優頻譜分配和功率控制問題。拍賣理論[2]可以用來獲得頻譜的最優定價,從而使認知網絡中各個非授權用戶的總收益最大化。圖著色理論[3]考慮非授權用戶之間的干擾和約束條件,實現其不同地理位置上的頻率復用。這些方法已經可以對認知網絡得出較高效的頻譜共享策略,但其對用戶的QoS并沒有進行充分的考慮。雖然在有些論文中提到將用戶業務分為實時業務(RT)和非實時業務(NRT)[4],并給實時業務以絕對優先級來保證系統的低掉話率,但是并沒有給出在某種特定業務下應采取的專用頻譜共享算法。我們知道,不同種類的業務具有不同的QoS,如實時業務(如MPEG)對時延敏感,以恒定速率比特流傳送,而非實時業務(如FTP)對時延的要求很低,卻希望以最大的速率完成傳輸。所以,根據特定的業務,應該有特定的頻譜策略與之相適應,從而可以進一步提高頻譜效率。

1 NRT-dedicate頻譜共享算法

本文對認知網絡非授權用戶非實時業務(FTP)下的頻譜共享策略進行了研究,引入自適應傳輸速率,提出了一種非實時業務專用的頻譜共享算法——NRT-dedicate頻譜共享算法。

1.1 系統模型

考慮在一個基于OFDMA的認知網絡中,有M個授權用戶基站,將網絡分為M個小區,各小區中可用頻譜為Ki個子信道,i_=1,2,…,M,并且各個子信道之間正交,互相不造成干擾,N個非授權用戶位于這M個小區中,如圖1所示。非授權用戶向所在小區的授權用戶基站請求發起FTP業務,準備傳輸的比特數分別為ni,i=1,2,…,N。

圖1 認知網絡系統模型

1.2 自適應傳輸速率

由于各非授權用戶的位置不同,他們的無線環境也有所不同,位于小區邊緣的用戶,因為受到相鄰小區的干擾,無線頻譜質量較小區中心差,頻譜效率低。因此,采用自適應傳輸速率配置方案,使速率與信道頻譜質量、可用帶寬相適應,可以進一步提高頻譜效率,提升系統的總收益。

為了實現自適應傳輸速率,為非授權用戶定義自適應速率格式組合(r,W,Q)和自適應速率格式組合集S。S為系統可實現的(r,W,Q)集合;r為非授權用戶的傳輸速率;W為非授權用戶所占的信道數;Q為非授權用戶和其所在授權用戶基站之間信道的頻譜質量。

因為自由空間信號強度與傳播距離的平方成反比,信道質量Q主要考慮相鄰小區授權用戶基站的干擾,所以可以定義:

式中,l為相鄰小區基站和非授權用戶小區基站之間的距離;d為用戶到小區基站的距離;g為相鄰基站的干擾強度。

系統根據實際可獲得的頻譜質量Qp和可用信道數Wp為非授權用戶選擇速率r最高的(r,W,Q),從而實現了速率對無線環境和資源的自適應。

1.3 NRT-dedicate頻譜共享算法

非授權用戶和基站連接需要建立控制信道,而長時間的控制信道會消耗大量的系統資源。因此,可以結合自適應傳輸速率,設計一種頻譜共享算法,減少用戶在系統中非授權用戶的平均駐留時間,降低控制信道資源的消耗,提高系統的總收益。

系統中用戶i的駐留時間ti可以定義為:

式中,cti為用戶i在系統中的通信時間,

wti為用戶i在系統中的等待時間,

φ(?)為用戶使用頻譜的優先級函數。

把式(2)和式(3)代入式(1)得:

可得系統中非授權用戶的平均駐留時間為:

因此可得系統中的最優優先級函數φbest(?)為:

因為i僅為用戶序號,所以可以對用戶重新排序,用序號k代替,k滿足φ(k)為k的單調增函數。

用k替代i代入式(4)得:

取φ(i)=,其中r為滿足自適應速率格

besti式組合(ri,Wi,Qi)的可實現集S的最大值。

系統在對用戶進行頻譜分配時,優先選擇φbest(i)相對較高的用戶,給其分配盡可能多的頻譜,使其可以在最高速率下傳輸,已達到減小系統中非授權用戶的平均駐留時間的目的。

2 系統收益

定義非授權用戶在網絡中傳輸有用信息的吞吐量為用戶在網絡中的收益,則非授權用戶i的收益Pi可表示為:

式中,nti為用戶i傳輸的總比特數;ti為用戶i在系統中的駐留時間;c為控制信道單位時間所占的比特數。

由此,可以得到系統每個用戶的平均收益Pave,

將式(5)帶入式(6)得:

上述分析表明,系統中非授權用戶的平均駐留時間tave變短可以提高系統總收益。

3 仿真與分析

考慮在一個100*100的區域中,存在4個授權戶基站,將區域分成4個小區,每小區有5個可用信道,有N個非授權用戶隨機分布于區域中,初始位置坐標服從均勻分布。非授權用戶以1的速度沿著隨機的一個方向在區域中移動。N個非授權用戶在各自小區發起FTP業務,所要發送的比特數ni服從正態分布N(10 000,4 000)。非授權用戶基本速率為r0=100,使用一個子信道的頻譜。仿真對(r,W,Q)模型進行了簡化,設定Q的門限值Qth,當Q＞Qth時,判定為較好的無線環境,系統允許非授權用戶以最多4個信道4*r0的速率進行傳輸;否則,系統只允許非授權用戶最多使用2個信道2*r0的速率通信。取相鄰小區干擾強度為10,2個授權用戶基站之間的距離l=50非授權用戶與基站之間的門限距離dth=15,可計算得Qth=122.5。取控制信道單位時間占用比特數c=1。

非授權用戶的平均駐留時間曲線如圖2所示。

圖2 非授權用平均駐留時間曲線

隨著用戶數的增加,非授權用戶的平均駐留時間也近似線性地增長,這是因為系統的頻譜資源有限,用戶數的增加必然導致個用戶平均排隊等候時間增加,但不必擔心優先級低的用戶會因為等待時間過長而掉話,因為NRT業務QoS特性決定其能夠容忍很大的時延。可以看到,NRT-dedicate頻譜共享算法能夠獲得比通用業務的頻譜共享算法更低的平均駐留時間,這與分析的相符,證明NRT-dedicate算法可以有效地改善非授權用戶在系統中駐留時間過長的問題,節省了相關的控制信道資源的開銷。

非授權用戶平均收益的分析如圖3所示。

圖3 非授權用戶平均收益曲線

隨著用戶數的增加,非授權用戶的平均收益下降,這是因為非授權用戶的平均等待時間隨著用戶數的增加而增加,對控制信道資源的額外開銷也隨之增加,從而使用戶的平均收益下降。因為非授權用戶隨機分布于網絡中,當用戶較少時,用戶可能會集中于某一兩個小區中,導致系統中的頻譜效率降低,使用戶不能獲得良好的收益。所以圖3中,8用戶時非授權用戶的平均收益低于12用戶時的情況,隨著用戶數的進一步增加,這個問題便消失了。可以從圖中看出,NRT-dedicate頻譜共享算法的非授權用戶平均收益高于通用的頻譜共享算法,這證明在非實時業務(FTP)情況下,NRT-dedicate頻譜共享算可以獲得更高的頻譜利用率,提升網絡的性能。

4 結束語

本文對認知網絡中非實時業務密集的情況下的頻譜共享策略進行了研究,考慮非實時業務的特性,結合自適應速率傳輸,提出了一種適用于這種情況的頻譜共享策略NRT-dedicate頻譜共享算法,并對其性能進行了仿真和分析。仿真結果表明,NRT-dedicate頻譜共享算法可以有效地減少非授權用戶在系統中的平均駐留時間,增加用戶平均收益,提高網絡頻譜效率。

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