基于效益驅(qū)動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜分配

1引言

隨著新一代無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，帶來了對(duì)帶寬的巨大需求，無線頻譜已成為一種不可或缺的資源，如何提高頻譜利用效率是目前面臨的問題和研究熱點(diǎn)。感知無線電正是一種用于提高無線電通信頻譜利用率的新技術(shù)，提出了一種動(dòng)態(tài)頻譜共享的框架，允許二級(jí)用戶（SU，Second User）在不影響主用戶（PU Primary User）工作的前提下智能地利用空閑頻譜，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行頻譜分配并且隨時(shí)隨地進(jìn)行高可靠性地通信。因此，研究感知無線電環(huán)境下的頻譜分配有著重要意義。目前在無線網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)態(tài)頻譜分配方式可以滿足一定范圍內(nèi)的頻譜資源分配要求。其主要根據(jù)頻譜資源在時(shí)間與空間方面的變化進(jìn)行分配。相對(duì)來說，這種分配方式實(shí)現(xiàn)了頻譜資源的高效率利用，比傳統(tǒng)的固定頻譜資源分配方式要有更強(qiáng)的適應(yīng)性?？梢姡壳皩?duì)于頻譜分配方式已有不少的研究成果。蘇曦（2009）依據(jù)了對(duì)檢測(cè)到的窄閑頻譜的閑時(shí)長(zhǎng)的預(yù)測(cè)機(jī)制，提出一種自適應(yīng)動(dòng)態(tài)頻譜分配方法。王力（2011）提出了一種基于需求驅(qū)動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜分配，其主要解決對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜資源的高效率利用。針對(duì)中心式或分布式的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、協(xié)作式或非協(xié)作式的頻譜分配行為、共存式或覆蓋式的頻譜接入技術(shù)，人們提出了不同的動(dòng)態(tài)頻譜分配方法，要包括博弈論、圖論著色等。提出了一種基于配對(duì)算法的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的頻譜接入算法，該算法是一種最優(yōu)算法，復(fù)雜度高，不具有實(shí)用性。以上研究結(jié)果沒有將頻率分配的效益與效用結(jié)合考慮，本文主要解決了這個(gè)問題。

2模型

2.1模型描述

3基于遺傳算法的模型求解

該模型求解復(fù)雜，利用傳統(tǒng)優(yōu)化方法無法在合理的時(shí)間內(nèi)得到滿意的結(jié)果。因此，本文利用智能算法中的遺傳算法尋找近似最優(yōu)解或滿意解。遺傳算法是一種隨機(jī)化的智能搜索方法，依據(jù)的理論基礎(chǔ)是生物進(jìn)化論的遺傳學(xué)機(jī)理，按照優(yōu)勝劣汰的原則對(duì)模型的解進(jìn)行選擇。

針對(duì)該模型，遺傳算法的具體實(shí)施步驟如下：

基因編碼：基因編碼：基因中的編碼方式采用二進(jìn)制編碼方式，每N位說明一個(gè)節(jié)點(diǎn)的分配情況。編碼格式如表1所示。表1中第二行代表S個(gè)基站，每個(gè)基站下有N個(gè)信道，第三行說明N個(gè)信道中哪些信道是分配到該基站的。

4仿真結(jié)果

本節(jié)將對(duì)本文的算法模型與文獻(xiàn)[5]和[7]中的算法模型進(jìn)行比較分析。將頻譜利用效率、有效頻譜利用效率和平均滿意度等作為頻譜分配的性能指標(biāo)，比較了3種算法的性能指標(biāo)。本算例實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)配置為CPU: G630 @ 2.70GHz，2.00GB內(nèi)存（不同的運(yùn)行環(huán)境會(huì)使得運(yùn)行時(shí)間有所差異）。

在3000m×3000m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)設(shè)置10個(gè)基站，分配的頻譜信道數(shù)量為10。通過改變節(jié)點(diǎn)數(shù)目來改變網(wǎng)絡(luò)密度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)能運(yùn)行于WCDMA網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)?；就ㄐ虐霃綖?0m；路徑損耗因子為3；發(fā)射功率為5dBm；信干比門限為10dB；噪聲功率為-105dBm；基站信道需求為1~20，服從均勻分布；種群個(gè)數(shù)為，進(jìn)化代數(shù)為，交叉概率為0.8，變異概率為0.1。為簡(jiǎn)化問題，假設(shè)滋1為固定值，其值為100；滋1=50，滋2=25；每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20次，記錄均值。圖2顯示3種算法的歸一化頻譜利用率的比較結(jié)果?？梢钥闯觯疚牡乃惴ú]有優(yōu)勢(shì)反而利用率略低，這是因?yàn)榧s束控制了解空間范圍。但是，如圖3所示，在歸一化的有效頻譜利用率方面，本文的方法要優(yōu)于其他兩種方法。對(duì)于效益驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)頻譜分配而言，有效頻譜利用率更具有價(jià)值和意義。

5總結(jié)

將基于效益的效用評(píng)價(jià)與基于網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)的效用評(píng)價(jià)相結(jié)合來構(gòu)建頻譜資源分配的方案是本模型的特點(diǎn)與關(guān)鍵所在。可以避免單方面評(píng)價(jià)容易造成的頻譜分配不均衡。本文通過設(shè)計(jì)遺傳算法，可以快速準(zhǔn)確的尋找到問題的滿意解，但求解結(jié)果需要進(jìn)一步印證，此外還需要著重考慮，的設(shè)置，這與區(qū)域的環(huán)境因素密切相關(guān)?？傊灸Ｐ蜑轭l譜資源分配提供了新的研究思路，值得進(jìn)一步深入研究。