多速率認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作資源共享機(jī)制研究

張琰，盛敏，李建東，韓維佳，馬驍

（西安電子科技大學(xué) ISN國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 信息科學(xué)研究所，陜西 西安 710071）

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正逐漸向著多元化、異構(gòu)化、智能化方向發(fā)展，因此多種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的高效互聯(lián)互通也就成為了目前業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，面對(duì)如此復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的 IMS（IP multimedia subsystem）技術(shù)已經(jīng)很難駕馭。2005年美國(guó)弗吉尼亞工學(xué)院的 W.Thomas 等人提出了一個(gè)全新的概念——認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)[1]，給人們指明了管理復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的新方向，并以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò)端到端效能為目標(biāo)，通過(guò)透徹地認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的資源使用狀態(tài)，以自組織的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的管理和控制。另一方面，Laneman等早在 2003 年就給出了節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)作的方法和理論增益，這也為提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量和資源利用效率提供了新的途徑[2]。不難發(fā)現(xiàn)：認(rèn)知和協(xié)作這2項(xiàng)新興技術(shù)有著天然的互補(bǔ)特性，通過(guò)認(rèn)知技術(shù)可以尋找、挖掘到網(wǎng)絡(luò)中閑置的可用資源，而通過(guò)節(jié)點(diǎn)乃至網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作則可以最大化資源的利用效率，從而釋放出更多的可用資源，兩者相輔相成[3,4]。因此，在文獻(xiàn)[5]中O.Simeone首次提出次級(jí)用戶(hù)可以通過(guò)中繼主用戶(hù)的數(shù)據(jù)來(lái)提高主用戶(hù)的傳輸性能，同時(shí)自身也獲得更多的信道使用機(jī)會(huì)，進(jìn)而達(dá)到“雙贏”的局面。這一核心思想為協(xié)作認(rèn)知技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。其后，Goldsmith等從信息論的角度進(jìn)一步證明了次級(jí)用戶(hù)和主用戶(hù)間協(xié)作能夠帶來(lái)的系統(tǒng)容量增益[6]，從而給出了該領(lǐng)域研究的理論支撐。文獻(xiàn)[7]中，Zhang Qian從博弈論的角度進(jìn)一步討論了次級(jí)用戶(hù)和主用戶(hù)間的協(xié)作關(guān)系，并引入主用戶(hù)頻譜定價(jià)機(jī)制，使主用戶(hù)獲得額外的收益。文獻(xiàn)[8]中，I. Krikidis給出了次級(jí)用戶(hù)與主用戶(hù)協(xié)作時(shí)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定吞吐量分析。文獻(xiàn)[9]研究了協(xié)作引入后對(duì)各類(lèi)用戶(hù)能耗的影響。

在上述的研究中，作者大都主要關(guān)注協(xié)作認(rèn)知技術(shù)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量提升，而對(duì)主用戶(hù)和次級(jí)用戶(hù)業(yè)務(wù)的 QoS尤其是時(shí)延性能并沒(méi)有進(jìn)行充分闡述。但是在這個(gè)快節(jié)奏、數(shù)字化、多媒體的時(shí)代，人們對(duì)時(shí)延的要求越來(lái)越苛刻，那么主用戶(hù)和次級(jí)用戶(hù)間協(xié)作對(duì)其各自時(shí)延性能的影響，以及不同協(xié)作方式的性能評(píng)估自然而然成為了要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。近來(lái)，文獻(xiàn)[10,11]分析了在不引入?yún)f(xié)作技術(shù)時(shí)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中主次用戶(hù)的時(shí)延性能。文獻(xiàn)[12]通過(guò)引入次級(jí)用戶(hù)的協(xié)作分集增益，在假定次級(jí)用戶(hù)盡力協(xié)作的條件下，分析了協(xié)作分集增益對(duì)主、次用戶(hù)時(shí)延和吞吐量性能的影響，然而其并沒(méi)有考慮無(wú)線節(jié)點(diǎn)的多速率傳輸特點(diǎn)以及次級(jí)用戶(hù)更具主動(dòng)性的協(xié)作策略。

本文中，充分利用無(wú)線節(jié)點(diǎn)間的多速率傳輸特性，以協(xié)作傳輸來(lái)壓縮主用戶(hù)的信道占用時(shí)間，并結(jié)合更為理性的“一報(bào)還一報(bào)”協(xié)作策略，使次級(jí)用戶(hù)利用更為主動(dòng)的協(xié)作資源共享方式來(lái)提升自身業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，利用排隊(duì)論模型對(duì)各種資源策略進(jìn)行建模，從理論上獲得了準(zhǔn)確的解析分析，揭示了不同類(lèi)型用戶(hù)的業(yè)務(wù)到達(dá)率、分組長(zhǎng)度、信道傳輸速率與業(yè)務(wù)平均服務(wù)時(shí)間之間的內(nèi)在關(guān)系，為不同的場(chǎng)景下協(xié)作資源共享機(jī)制的選擇提供了理論基礎(chǔ)。數(shù)值仿真驗(yàn)證了分析模型的有效性和正確性，也證明了合理的利用用戶(hù)間的協(xié)作，可以在有效保障主用戶(hù)業(yè)務(wù) QoS性能的條件下，使次級(jí)用戶(hù)更為主動(dòng)地提升自身的接入機(jī)會(huì)和QoS保障能力。

2 多速率認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的動(dòng)機(jī)及策略

人們“井噴式”增長(zhǎng)的通信需求和稀缺的無(wú)線頻譜資源之間的矛盾是無(wú)線通信領(lǐng)域所面臨的根本問(wèn)題。而高昂的頻譜使用費(fèi)用，使各大運(yùn)營(yíng)商非常頭痛，但與此同時(shí)，美國(guó)FCC (federal communications commission)的報(bào)告則顯示：大量已劃分的頻譜資源被閑置，且各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用情況隨時(shí)間的變化而呈現(xiàn)嚴(yán)重的“潮汐”現(xiàn)象。那么，多種網(wǎng)絡(luò)間資源的相互認(rèn)知、相互協(xié)作也就成為解決這一“供需”矛盾的唯一法寶。通過(guò)資源的認(rèn)知不僅可以發(fā)掘網(wǎng)絡(luò)中散落的閑置資源，還可以將資源聚合，從而發(fā)揮意想不到的作用。另外，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中隨著節(jié)點(diǎn)的位置分布和周?chē)h(huán)境的變化，其相互間的信道條件也大不相同，從而具有了多速率傳輸?shù)奶烊粚傩裕@在最早的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中就已經(jīng)得到了體現(xiàn)，如IEEE 802.11b，它支持1，2，5.5和11Mbit/s的4種傳輸速率。那么當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信道條件較差時(shí)，通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)完成高速率傳輸，從而壓縮低速率信息對(duì)寶貴無(wú)線資源的占用量。因此，認(rèn)知和協(xié)作2項(xiàng)新技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，已經(jīng)成為了無(wú)線資源管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而不同的結(jié)合方式，也會(huì)形成不同的性能差異和適用場(chǎng)景。

圖1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)資源共享方式

圖1給出了主用戶(hù)和次級(jí)用戶(hù)資源共享方法和協(xié)作策略的基本模式：圖1(a)為最原始的“專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用”資源使用方式，網(wǎng)絡(luò)間不存在資源共享，該網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)獨(dú)享網(wǎng)絡(luò)資源，因此業(yè)務(wù)量較輕時(shí)也就必然出現(xiàn)資源的閑置；圖1(b)為傳統(tǒng)的認(rèn)知方式，次級(jí)用戶(hù)通過(guò)感知該網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，在不干擾該網(wǎng)絡(luò)中主用戶(hù)對(duì)資源使用的前提下，以機(jī)會(huì)式使用該網(wǎng)絡(luò)的閑置資源。不難發(fā)現(xiàn)：對(duì)于次級(jí)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這是一種被動(dòng)式、無(wú)保障的資源共享模式，因此所能承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型也大大受到限制，而這種狀況可以在協(xié)作式的資源共享方式中得到改善；圖1(c)給出了一種“盡力”(BE, best effort)協(xié)作模式，此時(shí)只要主用戶(hù)有數(shù)據(jù)，次級(jí)用戶(hù)就盡力為其協(xié)作。次級(jí)用戶(hù)也通過(guò)高速轉(zhuǎn)發(fā)主用戶(hù)的數(shù)據(jù)，壓縮了主用戶(hù)的傳輸時(shí)間，換來(lái)了自身業(yè)務(wù)對(duì)資源的使用權(quán)。可以看出，在該模式下次級(jí)用戶(hù)已經(jīng)呈現(xiàn)出了主動(dòng)式的資源共享態(tài)勢(shì)。圖1(d)描述的是一種“一報(bào)還一報(bào)”(TFT, tit for tat)的協(xié)作模式，在該模式下，次級(jí)用戶(hù)已經(jīng)不滿(mǎn)足于一味對(duì)主用戶(hù)進(jìn)行協(xié)作而只有在資源閑置時(shí)才能使用的狀態(tài)，它期望得到立竿見(jiàn)影的協(xié)作效果，即在幫主用戶(hù)傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)分組后，立刻傳輸一個(gè)自己的分組。當(dāng)然這也要在不破壞主用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下。TFT模式使次級(jí)用戶(hù)變得更加主動(dòng)，甚至可能具有一定的QoS保障能力，其能夠承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型也將有所擴(kuò)展。接下來(lái)將從理論上分析各種協(xié)作資源共享方式的性能。

3 不同協(xié)作策略下的時(shí)延性能分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型及相關(guān)定義

考慮網(wǎng)絡(luò)中存在一對(duì)主用戶(hù)和一對(duì)次級(jí)用戶(hù)，如圖2所示，主用戶(hù)和次級(jí)用戶(hù)的業(yè)務(wù)到達(dá)分別服從參數(shù)為 λP和 λS的泊松分布，相應(yīng)的分組長(zhǎng)度為L(zhǎng)P和 LS。主用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn) PUS到主用戶(hù)接收節(jié)點(diǎn)PUD以及次級(jí)用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)SUS的信道速率分別為RP和RPS，次級(jí)用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)SUS到主用戶(hù)接收節(jié)點(diǎn) PUD以及次級(jí)用戶(hù)接收節(jié)點(diǎn) SUD的信道速率為RSP和RS。如果次級(jí)用戶(hù)參與到對(duì)主用戶(hù)的協(xié)作中，主用戶(hù)的分組經(jīng)次級(jí)用戶(hù)中轉(zhuǎn)后到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，那么協(xié)作后主用戶(hù)的等效分組傳輸速率RCP為

該模型也可以平穩(wěn)地?cái)U(kuò)展到多對(duì)主用戶(hù)和多對(duì)次級(jí)用戶(hù)的場(chǎng)景，在該場(chǎng)景下可將主次用戶(hù)相應(yīng)的業(yè)務(wù)流看作合成的泊松流來(lái)處理。下面采用均值分析的思想對(duì)各種模式下的用戶(hù)時(shí)延展開(kāi)討論。

圖2 網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 非協(xié)作模式下用戶(hù)的時(shí)延分析

在該模式下，主用戶(hù)擁有信道有限使用權(quán)，僅當(dāng)主用戶(hù)不再使用信道時(shí)次級(jí)用戶(hù)才可以接入信道，并且當(dāng)有主用戶(hù)到達(dá)時(shí)，次級(jí)用戶(hù)應(yīng)立即退避，將信道使用權(quán)交回主用戶(hù)。該模式可以建模為強(qiáng)差優(yōu)先級(jí)排隊(duì)模型[13]，那么主用戶(hù)的平均時(shí)延為

其中，E[XNC-P]為非協(xié)作模式下主用戶(hù)的平均服務(wù)時(shí)間，ρNC-P為主用戶(hù)的到達(dá)率λP與非協(xié)作模式下主用戶(hù)的離去率 μN(yùn)C-P(μN(yùn)C-P=1/E[XNC-P])之比。由于主用戶(hù)的分組長(zhǎng)度為L(zhǎng)P，且傳輸速率為RP，那么式(2)中：

在非協(xié)作模式下，次級(jí)用戶(hù)的平均時(shí)延為

其中，E[XNC-S]為次級(jí)用戶(hù)的平均服務(wù)時(shí)間，ρNC-S為次級(jí)用戶(hù)的到達(dá)率 λS與非協(xié)作模式次級(jí)用戶(hù)的離去率μN(yùn)C-S(μN(yùn)C-S=1/E[XNC-S])之比，由于次級(jí)用戶(hù)的分組長(zhǎng)度為L(zhǎng)S，且傳輸速率為RS，那么式(4)中：

3.3 “盡力”協(xié)作模式下用戶(hù)的時(shí)延分析

在該模式下，次級(jí)用戶(hù)幫助主用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)，直至主用隊(duì)列為空時(shí)才傳輸自己的數(shù)據(jù)。由于主次用戶(hù)間存在協(xié)作，主用戶(hù)不再?gòu)?qiáng)行中斷次級(jí)用戶(hù)正在傳輸?shù)姆纸M，因此該模式可以建模為非強(qiáng)差優(yōu)先級(jí)排隊(duì)模型[13]，那么主用戶(hù)的平均時(shí)延為

其中，E[XBE-P]為主用戶(hù)的平均服務(wù)時(shí)間，E[WBE-P]為主用戶(hù)的平均等待時(shí)間，它由2部分構(gòu)成：

其一為主用戶(hù)分組到達(dá)時(shí)的平均剩余服務(wù)時(shí)間：

其二為主用戶(hù)隊(duì)列的排隊(duì)時(shí)延：

式(8)中ρBE-P為主用戶(hù)的到達(dá)率λP與非協(xié)作模式主用戶(hù)的離去率 μBE-P(μBE-P=1/E[XBE-P])之比；ρBE-S為主用戶(hù)的到達(dá)率 λS與非協(xié)作模式主用戶(hù)的離去率 μBE-S(μBE-S=1/E[XBE-S])之比；式(9)中 NBE-Qp為主用戶(hù)隊(duì)列中排隊(duì)等待的分組個(gè)數(shù)；將式(8)、式(9)代入式(7)可得：

那么再將式(10)代入式(6)得：

由于主用戶(hù)的分組長(zhǎng)度為L(zhǎng)P，且協(xié)作后的分組傳輸速率為RCP；另外，次級(jí)用戶(hù)的分組長(zhǎng)度為L(zhǎng)S，傳輸速率為RS，那么式(11)中：

BE模式下的次級(jí)用戶(hù)的平均時(shí)延為

其中，E[XBE-S]=LS/RS為次級(jí)用戶(hù)的平均服務(wù)時(shí)間，E[WBE-S]為次級(jí)用戶(hù)的平均等待時(shí)間，它由 3部分構(gòu)成：

其一為次級(jí)用戶(hù)分組到達(dá)時(shí)的平均剩余服務(wù)時(shí)間：

其二為次級(jí)用戶(hù)分組到達(dá)時(shí)，已經(jīng)在排隊(duì)的主用戶(hù)分組和次級(jí)用戶(hù)分組服務(wù)所需要的時(shí)間：

其三為次級(jí)用戶(hù)到達(dá)后，新到達(dá)的主用戶(hù)分組服務(wù)所消耗的時(shí)間：

聯(lián)立式(10)、式(14)～式(17)可得：

那么再將式(18)代入式(13)得

3.4 “一報(bào)還一報(bào)”協(xié)作模式下用戶(hù)的時(shí)延分析

在此模式下，次級(jí)用戶(hù)每幫主用戶(hù)協(xié)作傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)分組，則可以獲得一次傳輸自己數(shù)據(jù)分組的機(jī)會(huì)。那么該協(xié)作模式對(duì)于某一指定用戶(hù)可以建模為有休假的M/G/1模型，例如，當(dāng)對(duì)主用戶(hù)服務(wù)時(shí)可以看作是次級(jí)用戶(hù)的休假，可以通過(guò)計(jì)算主次用戶(hù)的平均等效服務(wù)時(shí)間，進(jìn)而推得主次用戶(hù)的平均時(shí)延。

對(duì)于主用戶(hù)來(lái)說(shuō)，其服務(wù)時(shí)間可以分為2種情況：當(dāng)次級(jí)用戶(hù)隊(duì)列有數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)一個(gè)主用戶(hù)分組之后就要立即服務(wù)一個(gè)次級(jí)用戶(hù)分組，則此時(shí)主用戶(hù)的等效服務(wù)時(shí)間為E[XTFT-P]+ E[XTFT-S]，其中，E[XTFT-P]=LP/RCP為以協(xié)作方式單獨(dú)服務(wù)一個(gè)主用戶(hù)分組所消耗的時(shí)間，E[XTFT-S]=LS/RS為單獨(dú)服務(wù)一個(gè)次級(jí)用戶(hù)分組所消耗的時(shí)間；當(dāng)次級(jí)用戶(hù)隊(duì)列沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，主用戶(hù)則可以得到連續(xù)服務(wù)，此時(shí)主用戶(hù)的等效服務(wù)時(shí)間為E[XTFT-P]，如圖3所示。那么主用戶(hù)的平均等效服務(wù)時(shí)間可以表示為

式(20)中，μEqu-P為主用戶(hù)的等效離去率。由 Little定理可以推得，次級(jí)用戶(hù)隊(duì)列不為空的概率為λS/μEqu-S；相應(yīng)的，次級(jí)用戶(hù)隊(duì)列為空的概率就為1-λS/μEqu-S，其中，μEqu-S為次級(jí)用戶(hù)的等效離去率。那么式(20)就可重新表示為

同樣的，對(duì)于次級(jí)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，當(dāng)主用戶(hù)隊(duì)列有數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)一個(gè)主用戶(hù)數(shù)據(jù)后次級(jí)用戶(hù)就可以得到一次服務(wù)；而當(dāng)主用戶(hù)隊(duì)列沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，次級(jí)用戶(hù)則可以得到連續(xù)服務(wù)。那么次級(jí)用戶(hù)的平均等效服務(wù)時(shí)間則可以表示為

聯(lián)立式(21)和式(22)就可以求得：

那么主用戶(hù)的平均時(shí)延為

值得注意的是，這里在計(jì)算用戶(hù)平均時(shí)延時(shí)，第一部分仍然使用分組的平均服務(wù)時(shí)間E[XTFT-P]，而不是分組的等效平均服務(wù)時(shí)間E[XEqu-P]，這是因?yàn)榉纸M一旦得到服務(wù)其消耗的時(shí)間就是原始的平均服務(wù)時(shí)間。另外，E[WTFF-P]為主用戶(hù)的平均等待時(shí)間，而它又由2部分構(gòu)成：

其一為主用戶(hù)分組到達(dá)時(shí)的平均剩余服務(wù)時(shí)間。根據(jù)主用戶(hù)分組到達(dá)時(shí)主次用戶(hù)隊(duì)列的狀態(tài)不同，可以分為如圖4所示的4種情況，其中PP和PS分別表示主、次用戶(hù)到達(dá)的分組，那么：

圖3 等效服務(wù)時(shí)間

圖4 TFT模式下主用戶(hù)的剩余服務(wù)時(shí)間

其中，

整理可得：

其二為主用戶(hù)隊(duì)列的排隊(duì)時(shí)延：

由式(30)、式(31)和式(26)可得：

那么再將式(32)代入式(25)得：

TFT模式下的次級(jí)用戶(hù)的平均時(shí)延為

其中，E[XNC-S]=LS/RS為次級(jí)用戶(hù)的平均服務(wù)時(shí)間，E[WNC-S]為次級(jí)用戶(hù)的平均等待時(shí)間，它由2部分構(gòu)成：

其一為次級(jí)用戶(hù)分組到達(dá)時(shí)的平均剩余服務(wù)時(shí)間。同樣，根據(jù)次級(jí)用戶(hù)分組到達(dá)時(shí)主次用戶(hù)隊(duì)列的狀態(tài)不同，可以分為如圖5所示的4種情況，其中，PP和PS分別表示主、次用戶(hù)到達(dá)的分組，那么：

其中，

整理可得：

其二為主用戶(hù)隊(duì)列的排隊(duì)時(shí)延：

由式(39)、式(40)和式(35)可得：

那么再將式(41)代入式(34)得：

4 性能仿真

本節(jié)對(duì)各種資源共享策略的性能進(jìn)行了仿真，并和理論分析結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，從而驗(yàn)證了理論分析模型的準(zhǔn)確性和有效性；然后基于該結(jié)果探討了次級(jí)用戶(hù)傳輸策略的設(shè)計(jì)建議。

4.1 仿真設(shè)置

圖5 TFT模式下次級(jí)用戶(hù)的剩余服務(wù)時(shí)間

這里依然以IEEE 802.11b協(xié)議為背景，那么節(jié)點(diǎn)可以支持 1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s、11Mbit/s 4種傳輸速率。不失一般性，假定主用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)到主用戶(hù)接收節(jié)點(diǎn)的傳輸速率為RP= 2Mbit/s；次級(jí)用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)到次級(jí)用戶(hù)接收節(jié)點(diǎn)的傳輸速率為RS=5.5Mbit/s；主用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)到次級(jí)用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸速率 RPS=11Mbit/s，而次級(jí)用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)到主用戶(hù)接受節(jié)點(diǎn)的傳輸速率 RSP=11Mbit/s，那么協(xié)作傳輸速率RCP= 5.5Mbit/s。

4.2 仿真分析

首先仿真了主次用戶(hù)業(yè)務(wù)到達(dá)率的變化對(duì)使用不同資源共享模式下主次用戶(hù)時(shí)延的影響，此時(shí)主次用戶(hù)的分組長(zhǎng)度默認(rèn)設(shè)置為2 048byte。

圖6 非協(xié)作模式下主用戶(hù)的時(shí)延

圖7 非協(xié)作模式下次級(jí)用戶(hù)的時(shí)延

圖6給出了在非協(xié)作模式下，隨著主次用戶(hù)到達(dá)率的變化主用戶(hù)的時(shí)延性能，可以看出：該模式下主用戶(hù)對(duì)信道的優(yōu)先使用權(quán)，所以其時(shí)延性能不會(huì)受到次級(jí)用戶(hù)的影響。另外，由于此時(shí)主用戶(hù)間的信道傳輸速率較低，當(dāng)主用戶(hù)到達(dá)率增大到每秒120個(gè)分組時(shí)，系統(tǒng)就趨近于飽和狀態(tài)，這也導(dǎo)致主用戶(hù)業(yè)務(wù)的時(shí)延陡增。

圖7給出了在非協(xié)作模式下，隨著主次用戶(hù)到達(dá)率的變化次級(jí)用戶(hù)的時(shí)延性能。可以明顯看出：次級(jí)用戶(hù)的時(shí)延依然是由主用戶(hù)的到達(dá)率所決定的，這也正說(shuō)明了次級(jí)用戶(hù)對(duì)信道使用的無(wú)保障性，完全取決于當(dāng)前主用戶(hù)的業(yè)務(wù)狀況。另外，由于網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘恳欢ǎ?dāng)次級(jí)用戶(hù)的到達(dá)率增大時(shí)，即使當(dāng)前主用戶(hù)的到達(dá)率較低，但為了保證主用戶(hù)的服務(wù)，次級(jí)用戶(hù)的性能也就成為犧牲品。

圖8同時(shí)給出了2種不同協(xié)作模式下主用戶(hù)時(shí)延隨主次用戶(hù)到達(dá)率變化的情況。首先可以看出，隨著協(xié)作機(jī)制的引入，提高了分組的傳輸速率，繼而增大了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量，因此2種協(xié)作模式下主用戶(hù)的時(shí)延性能都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于非協(xié)作模式。此外，由于 BE模式下次級(jí)用戶(hù)無(wú)條件為主用戶(hù)提供協(xié)作，因此大大提升了主用戶(hù)的時(shí)延性能；而在TFT模式下，次級(jí)用戶(hù)有條件協(xié)作的態(tài)度，使得主用戶(hù)的時(shí)延性能要略遜于BE模式，但相對(duì)與非協(xié)作模式其性能增益仍是可觀的，且時(shí)延大小的也仍然處于業(yè)務(wù)可接受的范圍之內(nèi)。

圖8 “BE”和“TFT”主用戶(hù)時(shí)延對(duì)比

圖9 “BE”和“TFT”次級(jí)用戶(hù)時(shí)延對(duì)比

相應(yīng)的，圖9中則給出了2種協(xié)作模式下次級(jí)用戶(hù)的時(shí)延性能。此時(shí)，TFT模式的特點(diǎn)就得到了展現(xiàn)。隨著主次用戶(hù)到達(dá)率的提升，BE模式為了滿(mǎn)足主用戶(hù)的需求而越來(lái)越不能保證次級(jí)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量，反觀TFT模式，其次級(jí)用戶(hù)的時(shí)延水平一直和主用戶(hù)保持相當(dāng)，由此可以看出在TFT模式中，次級(jí)用戶(hù)利用積極的資源共享策略，提高了主用戶(hù)業(yè)務(wù)的QoS，同時(shí)也為提升了自身業(yè)務(wù)的傳輸機(jī)會(huì)和質(zhì)量。

已經(jīng)從宏觀上獲得了各個(gè)模式的性能和特點(diǎn)。接下來(lái)，進(jìn)一步驗(yàn)證所提理論分析模型的準(zhǔn)確性和有效性，并考量各種模式的時(shí)延抖動(dòng)特性以及次級(jí)用戶(hù)分組長(zhǎng)度的變化對(duì)各種模式性能的影響。

圖10 隨次級(jí)用戶(hù)到達(dá)率變化時(shí)，各協(xié)作模式的時(shí)延性能

圖11 隨次級(jí)用戶(hù)到達(dá)率變化時(shí)，各協(xié)作模式的時(shí)延抖動(dòng)性能

圖10給出了主用戶(hù)到達(dá)率為80packet/s、主次用戶(hù)分組長(zhǎng)度為2 048byte時(shí)，次級(jí)用戶(hù)達(dá)到率變化對(duì)2種協(xié)作模式下各類(lèi)用戶(hù)時(shí)延的影響。首先欣喜地發(fā)現(xiàn)：由上節(jié)提出的理論分析模型所得到結(jié)果和仿真結(jié)果能夠很好地匹配，充分證明了分析模型的正確性和有效性。此外在該場(chǎng)景下，非協(xié)作模式的主用戶(hù)的時(shí)延約為16ms，2種協(xié)作模式都給主用戶(hù)帶來(lái)增益，而TFT模式下次級(jí)用戶(hù)獲得了更多收益，也為其承載高質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)提供了可能。圖11又從時(shí)延抖動(dòng)的角度進(jìn)一步比較了2種協(xié)作模式的性能，可以得到類(lèi)似于圖10的結(jié)論，即 TFT模式在改善主用戶(hù)性能的同時(shí)，尋求了主次用戶(hù)性能的合理折中，改善了次級(jí)用戶(hù)的QoS保障能力。

圖12 隨次級(jí)用戶(hù)分組長(zhǎng)度變化時(shí)，各協(xié)作模式的時(shí)延性能

圖13 隨次級(jí)用戶(hù)分組長(zhǎng)度變化時(shí)，各協(xié)作模式的時(shí)延抖動(dòng)性能

當(dāng)主、次用戶(hù)分組到達(dá)率為 80packet/s和100packet/s，主用戶(hù)分組長(zhǎng)度為2 048byte時(shí)，圖12驗(yàn)證了所提分析模型對(duì)分組長(zhǎng)度變化的適應(yīng)性和有效性。隨著次級(jí)用戶(hù)分組長(zhǎng)度的增加，2種協(xié)作模式下各類(lèi)用戶(hù)的時(shí)延均有所增加，但相對(duì)于主用戶(hù)，次級(jí)用戶(hù)的增幅要更大。然而，即使這樣也還是低于非協(xié)作模式下主用戶(hù)的時(shí)延。相應(yīng)的時(shí)延抖動(dòng)性能如圖13所示。至此，可以獲得這樣的啟示：在保證甚至提高主用戶(hù)QoS的前提下，次級(jí)用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)整分組長(zhǎng)度從而在保證自身業(yè)務(wù)時(shí)延的條件下進(jìn)一步提高其吞吐量性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)紛繁交錯(cuò)的異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)間資源的相互認(rèn)知、相互協(xié)作已經(jīng)成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文首先分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的動(dòng)機(jī)，討論了多種不同的協(xié)作模式，并從理論上給出了各種模式的性能分析，揭示了其各自具有的本質(zhì)特點(diǎn)。通過(guò)仿真充分驗(yàn)證了所提理論分析模型的準(zhǔn)確性，也進(jìn)一步說(shuō)明了各種資源共享模式的優(yōu)劣，并在此基礎(chǔ)上提出了次級(jí)用戶(hù)傳輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)建議。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步分析各類(lèi)用戶(hù)的時(shí)延分布并設(shè)計(jì)實(shí)際可操作的協(xié)作認(rèn)知協(xié)議。

[1] THOMAS R W. Cognitive networks: adaptation and learning to achieve end-to-end performance objectives[J]. IEEE Communications Magazine, 2006, 44(12): 51-57.

[2] LANEMAN J N, WORNELL G W. Distributed space-time-coded protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2003, 49(10): 2415 - 2425.

[3] LETAIEF K B, ZHANG W. Cooperative communications for cognitive radio networks[J]. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(5): 878-893.

[4] ZHANG Q, JIA J, ZHANG J. Cooperative relay to improve diversity in cognitive radio networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2009,47(2):111-117.

[5] SIMEONE O, STANOJEV I, SAVAZZI S, et al. Spectrum leasing to cooperating secondary ad hoc networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2008, 26(1):203-213.

[6] GOLDSMITH A, JAFARY S A, MARIC I. Breaking spectrum gridlock with cognitive radios: an information theoretic perspective[J].Proceedings of the IEEE, 2009, 97(5):894-914.

[7] ZHANG J, ZHANG Q. Stackelberg game for utility-based cooperative cognitive radio networks[A]. The Tenth ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (ACM Mobi-Hoc)[C]. New Orleans, Louisiana, USA, 2009. 23-31.

[8] KRIKIDIS I, LANEMAN J N, THOMPSON J S, et al. Protocol design and throughput analysis for multi-user cognitive cooperative systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communication, 2009, 8(9):4740-4751.

[9] NARAYANAN S, PANWAR S S. To forward or not to forward: that is the question[J]. Wireless Personal Communication, 2007, 43(1): 65-87.

[10] MOHAMMAD M R, HOSSAIN M J, EKRAM H. Opportunistic spectrum scheduling for multiuser cognitive radio: a queueing analysis[J]. IEEE Transactions on Wireless Communication, 2009, 8(10):5259-5268.

[11] ISAMELDIN S, JANNE L. Queueing analysis of opportunistic access in cognitive radios[A]. IEEE the Second International Workshop on Cognitive Radio and Advanced Spectrum Management (IEEE CogART)[C]. Aalborg, Denmark, 2009. 153–157.

[12] ZHANG C X, WANG X B, LI J. Cooperative cognitive radio with priority queueing analysis[A]. IEEE International Conference on Communications (IEEE ICC)[C]. Dresden, Germany, 2009. 1-5.

[13] BERTSEKAS D, GALLAGER R. Data Networks[M]. Englewood Cliffs, NJ: Prentice- Hall, 1987.