認(rèn)知無(wú)線電中基于頻譜聚合的頻譜分配算法

胡 慶，趙力力

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

隨著各種新興無(wú)線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，無(wú)線頻譜資源逐漸成為當(dāng)今社會(huì)最為緊缺的資源之一。另一方面，各種無(wú)線通信系統(tǒng)的授權(quán)頻譜的利用率非常低，在很多時(shí)候授權(quán)頻譜并沒(méi)有被充分利用。認(rèn)知無(wú)線電［1-2］被認(rèn)為是解決頻譜資源稀缺的有效方法，它讓認(rèn)知用戶(hù)(Cognitive User，CU)感知主用戶(hù)(Primary User，PU)沒(méi)有使用的頻譜，并在不對(duì)主用戶(hù)造成干擾的前提下使用這些頻譜。

頻譜分配作為認(rèn)知無(wú)線電中非常關(guān)鍵的技術(shù)之一，目前對(duì)其已經(jīng)有了很多研究。文獻(xiàn)［3］中提出了一種顏色敏感圖論著色(CSGC)算法，該算法考慮到了各認(rèn)知用戶(hù)可用頻譜的差異性和頻譜效益的差異性，并分析了在協(xié)作式和非協(xié)作式條件下頻譜分配的差異。文獻(xiàn)［4］提出了一種分布式局部議價(jià)的分配算法，在新的頻譜分配過(guò)程中考慮先前的頻譜分配信息，根據(jù)上一次分配的結(jié)果，能夠通過(guò)有限次數(shù)的計(jì)算適應(yīng)拓?fù)涞母淖儯鞒鲇行У念l譜分配策略。文獻(xiàn)［3］和［4］都是分配多個(gè)頻段給認(rèn)知用戶(hù)，在這種情況下，認(rèn)知用戶(hù)為同時(shí)接入多個(gè)分配到的頻段，需采用頻譜聚合技術(shù)，但是由于發(fā)射機(jī)的硬件約束，認(rèn)知用戶(hù)可以聚合的頻譜范圍是有限制的［5］，并不是任何頻譜都可以被聚合。如圖1所示，認(rèn)知用戶(hù)感知到了A，B，C，D，E這5個(gè)不連續(xù)的可用頻段，設(shè)備能夠聚合的最大頻譜范圍(Max Spectrum Span，MSS)如虛線框所示，那么聚合頻譜最高頻率和最低頻率之差必須小于MSS。

圖1 不連續(xù)頻譜

文獻(xiàn)［6］提出了一種聚合意識(shí)的頻譜分配算法，該算法把認(rèn)知設(shè)備能夠聚合的有限的頻譜范圍考慮進(jìn)來(lái)，使得網(wǎng)絡(luò)能夠支持的認(rèn)知用戶(hù)數(shù)達(dá)到理想值。但是該算法采用的是集中式的分配方式，算法假設(shè)每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的可用頻譜是相同的，這與實(shí)際的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)并不相符。本文利用圖論著色模型，提出了一種基于頻譜聚合的分布式頻譜分配算法。算法考慮了認(rèn)知用戶(hù)的帶寬需求和認(rèn)知設(shè)備有限的頻譜聚合范圍。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)認(rèn)知用戶(hù)，總的可用頻譜數(shù)為M，起始頻率為F1L，終止頻率為FMH，頻段m的頻率范圍為［FmL，F(xiàn)mH］，如圖2所示。不同認(rèn)知用戶(hù)的帶寬需求不同，其中用戶(hù)n的帶寬需求表示為Dn(n=1，2，…，N)。每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)n可利用現(xiàn)有的任一頻譜檢測(cè)機(jī)制來(lái)檢測(cè)自己的可用頻譜，假設(shè)“空閑頻譜感知→頻譜分配→數(shù)據(jù)傳輸”為一個(gè)時(shí)間周期，在同一周期的頻譜分配期間，認(rèn)知用戶(hù)的位置和可用頻譜都是不變的。本周期分配結(jié)束后認(rèn)知用戶(hù)再進(jìn)行下一周期的感知，然后再進(jìn)行分配。

圖2 總可用頻譜

本文的分配模型采用圖論著色模型，圖論著色模型可由空閑矩陣、效益矩陣、干擾矩陣和分配矩陣描述。

效益矩陣R={rn，m}N×M表示用戶(hù)n使用頻段m所獲得的效益，如帶寬、吞吐量。若 hn，m=0，則 rn，m=0。本文的效益rn，m指頻段m的物理帶寬，單位為MHz。

干擾矩陣 C={cn，k，m|cn，k，m∈{0，1}}N×N×M表示兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)用戶(hù)之間的干擾約束，cn，k，m=1表示用戶(hù)n和用戶(hù)k同時(shí)使用頻段 m 會(huì)產(chǎn)生干擾。當(dāng) n=k 時(shí)，cn，k，m=1-hn，m。文中，干擾約束采用以發(fā)射機(jī)為中心的約束，此干擾約束可表示為若 Dist(tn，tk)≤ds(tn，m)+ds(tk，m)，則 cn，k，m=1，其中Dist(tn，tk)表示發(fā)射機(jī)n和k之間的距離，ds(tn，m)和ds(tk，m)分別表示發(fā)射機(jī)n和k在頻段m上的覆蓋半徑。

分配矩陣 A={an，m|an，m∈{0，1}}N×M，an，m=1 表示頻段 m 分配給用戶(hù) n。A 滿(mǎn)足:若 cn，k，m=1，?n，k ＜ N，m＜ M，則 an，m·ak，m=0。

把網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑橄蟪梢粋€(gè)干擾圖G(V，E，H)，把每個(gè)頻段映射為一個(gè)顏色，則頻譜分配問(wèn)題可轉(zhuǎn)化成圖G(V，E，H)的頂點(diǎn)著色問(wèn)題。V是圖G的頂點(diǎn)集，表示共享頻譜的認(rèn)知用戶(hù);H表示頂點(diǎn)的顏色列表，即可用頻譜集合;E是邊集，由干擾約束集合C決定，當(dāng)且僅當(dāng)cn，k，m=1時(shí)，兩個(gè)不同的頂點(diǎn)之間有一條顏色為m的邊。圖3為干擾圖的一個(gè)例子，圖中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ表示5個(gè)認(rèn)知用戶(hù)，它們之間的邊即是由C決定的干擾約束，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字代表每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)感知到的可用頻譜。

圖3 干擾圖的一個(gè)例子

2 優(yōu)化問(wèn)題

定義Chx為分配給某個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的信道x，Chx=，m∈［1，M］，其中和是分配給該用戶(hù)的第i個(gè)頻段的起始頻率和終止頻率，Nx為分配的頻段數(shù)。

算法的分配目標(biāo)是最大化認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)能夠支持的用戶(hù)數(shù)。令T表示網(wǎng)絡(luò)支持的認(rèn)知用戶(hù)數(shù)，那么優(yōu)化問(wèn)題可表示為

約束條件為

其中式(2)保證分配給認(rèn)知用戶(hù)n的帶寬和能滿(mǎn)足用戶(hù)的帶寬需求，式(3)保證分配給用戶(hù)n的頻段都是可以聚合的，這樣分配后的頻段認(rèn)知用戶(hù)才可成功接入。

現(xiàn)如今臨床中運(yùn)用TAXUSTM支架，作為EXPRESS支架表面，以多聚物涂層的慢速釋放出紫杉醇，在現(xiàn)如今的臨床應(yīng)用中具備較好安全有效性。經(jīng)臨床研究發(fā)現(xiàn)PES植入半年后，運(yùn)動(dòng)誘因出現(xiàn)支架遠(yuǎn)端冠狀動(dòng)脈血管發(fā)生收縮，BMS引發(fā)血管舒張情況。

3 算法步驟

詳細(xì)地算法步驟為:

1)根據(jù)標(biāo)注規(guī)則計(jì)算圖G中的每個(gè)頂點(diǎn)的標(biāo)注值lable(n)及對(duì)應(yīng)的顏色color(n)，找到標(biāo)注值最大的頂點(diǎn)n*=arg max label(n)。

2)計(jì)算頂點(diǎn)n*的可用頻譜的帶寬和是否滿(mǎn)足帶寬需求，若不滿(mǎn)足就從圖G中刪除該頂點(diǎn);若滿(mǎn)足則進(jìn)入步驟3)。

3)依次從低頻到高頻判斷在MSS內(nèi)是否有可用頻譜的帶寬和滿(mǎn)足帶寬需求，設(shè)v表示頂點(diǎn)n*的可用頻譜數(shù)，即從第1個(gè)到第v個(gè)可用頻譜的起始頻率開(kāi)始判斷在MA內(nèi)是否有可用頻譜的帶寬和滿(mǎn)足帶寬需求。若有，則按color(n)值從大到小分配直到該頂點(diǎn)的帶寬需求得到滿(mǎn)足;若沒(méi)有，則從圖G中刪除該頂點(diǎn)。

4)返回第一步，循環(huán)此過(guò)程直到圖G為空。

在分配過(guò)程中，當(dāng)頂點(diǎn)n*每次分配后都要從與其有干擾的頂點(diǎn)的可用頻譜中刪除已分配的頻譜。標(biāo)注規(guī)則如

本算法確定頂點(diǎn)后依次從該頂點(diǎn)的第1個(gè)到第v個(gè)可用頻譜的起始頻率開(kāi)始判斷在MSS內(nèi)是否有可用頻譜的帶寬和滿(mǎn)足帶寬需求，分配的頻段必定是在最大聚合范圍MSS之內(nèi)的，即可聚合的。

4 仿真分析

在(200×200)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署N個(gè)認(rèn)知用戶(hù)，仿真頻率為500～700 MHz，其中包括了部分模擬廣播電視頻段。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S機(jī)生成，用戶(hù)帶寬需求Dn在7～14 MHz之間隨機(jī)取整數(shù)值，MSS=40。H矩陣為隨機(jī)生成的0-1矩陣，干擾約束由 Dist(tn，tk)≤ds(tn，m)+ds(tk，m)生成，覆蓋半徑ds在［1，4］內(nèi)隨機(jī)生成。R 矩陣在［7，14］隨機(jī)生成。本文將本算法與文獻(xiàn)［3］中的CSGC算法進(jìn)行比較，CSGC算法中有3種合作式的標(biāo)注規(guī)則:CSUM，CMIN和CFAIR。

圖4為當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中總的可用頻譜數(shù)變化時(shí)兩種算法的認(rèn)知用戶(hù)接入率，N=20。從圖中可以看出，SADSA算法明顯優(yōu)于CSGC算法，當(dāng)總的可用頻譜數(shù)逐漸增大時(shí)，優(yōu)越性更加突出，這是因?yàn)楫?dāng)總可用頻譜數(shù)增加時(shí)，沒(méi)有考慮頻譜聚合的CSGC算法使得認(rèn)知用戶(hù)分配到的頻譜不能聚合的概率在隨之增大，即認(rèn)知用戶(hù)不能接入分配到的頻段的概率在增大。

圖4 總可用頻段數(shù)不同時(shí)的接入率比較

圖5是當(dāng)認(rèn)知用戶(hù)數(shù)變化時(shí)，SADSA算法與CSGC算法的比較。當(dāng)認(rèn)知用戶(hù)數(shù)增加時(shí)，可用頻譜數(shù)不變，M=15。從圖中可以看出，這種情況下本文的算法依然優(yōu)于CSGC算法，其原因是CSGC算法并沒(méi)有考慮認(rèn)知設(shè)備可聚合的頻譜范圍的有限性。

圖5 不同認(rèn)知用戶(hù)數(shù)下的接入率

5 小結(jié)

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是認(rèn)知用戶(hù)感知到的可用頻譜的不連續(xù)性，為滿(mǎn)足認(rèn)知用戶(hù)較高的帶寬需求，需利用頻譜聚合技術(shù)將多個(gè)頻段聚合在一起使用。但是由于硬件條件的限制，可以聚合的頻譜范圍是有限制的，所以頻譜分配算法應(yīng)當(dāng)考慮到這種限制，以使認(rèn)知用戶(hù)能夠接入自己分配到的頻譜。本文提出了一種認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配算法，算法以廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中資源分配的圖論著色為分配模型。算法考慮到了可用頻譜的不連續(xù)性和頻譜聚合的有限性，仿真結(jié)果證明了本文算法的優(yōu)越性。

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