物聯(lián)網(wǎng)距離和業(yè)務(wù)特征結(jié)合的頻譜接入方法

孫君，朱洪波

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 通信技術(shù)研究所，江蘇 南京 210003）

1 引言

在“2010年中國(guó)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)報(bào)告會(huì)”上，物聯(lián)網(wǎng)成為了 2009年中國(guó)通信產(chǎn)業(yè)十大關(guān)鍵詞之一，而目前基于物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用已經(jīng)在交通、農(nóng)業(yè)、物流等行業(yè)中開(kāi)始實(shí)施。

物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)將應(yīng)用于無(wú)法準(zhǔn)確估量的行業(yè)和場(chǎng)景，必然將產(chǎn)生海量終端，形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人與人通信互聯(lián)的移動(dòng)通信與無(wú)線接入的數(shù)據(jù)量。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)信息交互與傳輸以無(wú)線為主的特點(diǎn)，注定了它將成為頻譜資源需求的大戶。屆時(shí)，頻譜資源的短缺將成為物聯(lián)網(wǎng)難以克服的瓶頸，并且不難預(yù)想，物聯(lián)網(wǎng)面臨的不僅是頻譜資源越來(lái)越匱乏的問(wèn)題，而且還將面臨著干擾也越來(lái)越嚴(yán)重的難題。

資源受限成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要制約因素，為解決網(wǎng)絡(luò)資源受限問(wèn)題，機(jī)會(huì)頻譜接入（OSA）技術(shù)[1～4]應(yīng)運(yùn)而生。最初 OSA[1]是指非系統(tǒng)用戶機(jī)會(huì)地利用系統(tǒng)用戶在空間和時(shí)間上的空白頻譜進(jìn)行通信的技術(shù)。后來(lái)，OSA被用于各種實(shí)際應(yīng)用的研究中，如能量受限網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[2]等，并由不同的性能指標(biāo)要求產(chǎn)生對(duì)各種算法的研究[3,4]。

OSA提供了頻譜接入機(jī)會(huì)，使得非系統(tǒng)用戶的無(wú)線設(shè)備可以瞬時(shí)利用系統(tǒng)用戶所提供的頻譜資源獲得更多頻帶使用機(jī)會(huì)。這種機(jī)制對(duì)于系統(tǒng)用戶系統(tǒng)而言，可以在不影響其自身的前提下開(kāi)發(fā)二級(jí)頻譜市場(chǎng)，增加經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言可以大大增加可用頻譜數(shù)量，提高頻譜利用率。不難想象，OSA技術(shù)也將在物聯(lián)網(wǎng)世界中發(fā)揮作用。以物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)典型應(yīng)用，智能家居網(wǎng)絡(luò)為例，可以說(shuō)明機(jī)會(huì)利用頻譜對(duì)解決物聯(lián)網(wǎng)世界中頻譜資源緊缺問(wèn)題的作用。智能家居網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的一種應(yīng)用。個(gè)域網(wǎng)和移動(dòng)終端之間的通信不可能單獨(dú)分配一段授權(quán)的頻譜資源，必須借助動(dòng)態(tài)、機(jī)會(huì)的頻譜接入技術(shù)，利用現(xiàn)有可利用的授權(quán)頻譜實(shí)現(xiàn)共享或共存，這就必然要考慮到OSA技術(shù)。

OSA在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用是目前的研究熱點(diǎn)，例如，以 Zhao等為代表的部分可觀察馬爾科夫過(guò)程（POMDP）框架下的OSA網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)[5～7]，以Peng等為代表的博弈模型下的頻譜分配策略[8,9]等。

但是，OSA技術(shù)在以物聯(lián)網(wǎng)為背景環(huán)境中的應(yīng)用，還尚未有過(guò)討論。問(wèn)題在于至今物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)模型并沒(méi)有權(quán)威研究結(jié)果，而頻譜的利用與業(yè)務(wù)模型又是密不可分的。鑒于此，本文從物聯(lián)網(wǎng)的末梢網(wǎng)絡(luò)，即傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型入手，在之前研究成果基礎(chǔ)上探討物聯(lián)網(wǎng)中的OSA方案。在此，將傳感器網(wǎng)絡(luò)中要向移動(dòng)終端發(fā)送信息的用戶或設(shè)備稱為非系統(tǒng)用戶，將現(xiàn)有系統(tǒng)中固有的用戶稱為系統(tǒng)用戶。

本文提出的接入模型的主要內(nèi)容包括如下幾方面。

1) 建立信道可用度列表：根據(jù)非系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)用戶之間的距離關(guān)系以及系統(tǒng)用戶端對(duì)干擾的最大可容忍程度，在非系統(tǒng)用戶端建立信道可用度列表，該列表顯示了非系統(tǒng)用戶對(duì)不同信道的選擇等級(jí)，同時(shí)也反映了非系統(tǒng)用戶對(duì)系統(tǒng)用戶資源占用的優(yōu)先級(jí)。

2) 干擾驅(qū)動(dòng)效用函數(shù)：考慮到非系統(tǒng)用戶占用授權(quán)信道給授權(quán)用戶帶來(lái)的影響，構(gòu)建干擾驅(qū)動(dòng)效用函數(shù)，以干擾最小化、效用最高化對(duì)可用頻譜資源進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)最佳頻譜接入策略。

3) 協(xié)議框架的跨層設(shè)計(jì)：將頻譜接入策略的設(shè)計(jì)與非授權(quán)用戶的感知行為、業(yè)務(wù)特性以及主用戶的業(yè)務(wù)特性相結(jié)合，探討在物聯(lián)網(wǎng)背景下的最佳接入方法。

2 系統(tǒng)模型

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景模型如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)模型

在一個(gè)蜂窩網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)，有主用戶基站、主用戶和需要與非系統(tǒng)用戶通信的移動(dòng)臺(tái)。智能家居網(wǎng)通過(guò)感知節(jié)點(diǎn)（例如傳感器）和個(gè)域網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)，并將所需要信息匯集到一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)（AP）上，通過(guò)AP向相應(yīng)的移動(dòng)用戶發(fā)送信息，同時(shí)，移動(dòng)用戶也可以通過(guò)AP向智能家居網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)下達(dá)指令，由AP進(jìn)行調(diào)度和分配相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行相關(guān)指令。智能家居網(wǎng)中的 AP要發(fā)送信息就需要機(jī)會(huì)地利用其周圍存在的可用信道資源，相對(duì)于蜂窩網(wǎng)而言，該AP就是一個(gè)非系統(tǒng)用戶。無(wú)線AP通過(guò)對(duì)其附近系統(tǒng)用戶的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)可用信道資源，并機(jī)會(huì)地利用該資源與其移動(dòng)臺(tái)通信。

在該場(chǎng)景中無(wú)線AP附近可能存在若干系統(tǒng)用戶，每個(gè)系統(tǒng)用戶xj,j= 1 ,…J，占用一個(gè)信道nj,j= 1,… ,J。非系統(tǒng)用戶如何選擇既保證其與移動(dòng)臺(tái)的通信質(zhì)量，又不干擾系統(tǒng)用戶正常通信的可用的頻譜資源，是本文所提出的接入方法要解決的問(wèn)題。

3 信道可用度列表

以圖1的系統(tǒng)模型為背景，首先根據(jù)系統(tǒng)用戶的距離構(gòu)建用于標(biāo)識(shí)系統(tǒng)用戶信道可用度的距離模型，如圖2所示。

圖2 距離模型

非系統(tǒng)用戶抽象為點(diǎn)x，其周圍系統(tǒng)用戶{j=1,…,7}與該非系統(tǒng)用戶的關(guān)系如圖2所示。將離非系統(tǒng)用戶距離相同的系統(tǒng)用戶放在一個(gè)集合內(nèi)，集合內(nèi)的系統(tǒng)用戶所在的信道對(duì)非系統(tǒng)用戶具有同等的優(yōu)先級(jí)。由此，圖中7個(gè)系統(tǒng)用戶被分別放在了 5個(gè)集合中，即，cl1= { 1,2},cl2={3},cl3= { 4,5},cl4= { 6},cl5= { 7}。每個(gè)子集對(duì)應(yīng)一個(gè)信道可用度，計(jì)算如下：

其中，cln為與非系統(tǒng)用戶具有相同距離的系統(tǒng)用戶的集合。ln為第n個(gè)子集中的非系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)用戶間的距離，ncld為使用第n個(gè)子集中的系統(tǒng)用戶數(shù)目，參數(shù)J表示綜合子集的系統(tǒng)用戶總數(shù)。由此，非系統(tǒng)用戶對(duì)每個(gè)系統(tǒng)用戶所有的信道可用程度有了一個(gè)標(biāo)識(shí)。從對(duì)系統(tǒng)用戶干擾的角度考慮，距離越遠(yuǎn)的系統(tǒng)用戶所用信道的可用度越高。

4 業(yè)務(wù)匹配關(guān)系式和干擾驅(qū)動(dòng)效用函數(shù)

根據(jù)智能家居網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)采集信息的特性，將非系統(tǒng)用戶與移動(dòng)臺(tái)之間的通信定義為ON-OFF模型，如圖3所示。

根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型i，非系統(tǒng)用戶占用信道的時(shí)間變量為tsi，服從參數(shù)為βs0i的指數(shù)分布，釋放信道的時(shí)間變量為ttsi，服從參數(shù)為βs1i的指數(shù)分布。系統(tǒng)用戶對(duì)信道的占用模型也假設(shè)為 ON-OFF模型，主用戶占用信道的平均持續(xù)時(shí)間為β0。主用戶釋放信道的平均持續(xù)時(shí)間為β1，主用戶由占用信道到釋放信道所用的時(shí)間為t，由釋放信道到使用信道所用的時(shí)間為tt，二者均服從指數(shù)分布。如圖 3所示，非系統(tǒng)用戶在系統(tǒng)用戶釋放信道的時(shí)間tt內(nèi)根據(jù)自身對(duì)信道占用的特點(diǎn)對(duì)信道進(jìn)行機(jī)會(huì)共享。

4.1 業(yè)務(wù)匹配關(guān)系式

要保證非系統(tǒng)用戶不對(duì)系統(tǒng)用戶產(chǎn)生干擾，在如圖3所示的機(jī)會(huì)共享方式中，需要滿足

其中，參數(shù)m為在一個(gè)系統(tǒng)用戶的tt時(shí)間內(nèi)，非系統(tǒng)用戶所包含的ttsi的個(gè)數(shù)。只有保證在一個(gè)tt時(shí)間內(nèi)非系統(tǒng)用戶占用信道的次數(shù)和釋放信道的次數(shù)之和為整數(shù)，并且占用信道的次數(shù)比釋放信道的次數(shù)多一次，才能保證系統(tǒng)用戶和非系統(tǒng)用戶之間的傳輸不發(fā)生碰撞。公式中的時(shí)間參數(shù)都是隨機(jī)變量，并令x的概率密度函數(shù)為

其均值表達(dá)式為

變量tt的概率密度函數(shù)為

其均值為β1。由此，令，即有

于是，得到非系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)用戶在不發(fā)生碰撞時(shí)，由不同業(yè)務(wù)類型決定的非系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)用戶間對(duì)信道的占用關(guān)系。式(6)為業(yè)務(wù)匹配關(guān)系式，該式能夠保證非系統(tǒng)用戶對(duì)系統(tǒng)用戶的最低干擾，滿足以上業(yè)務(wù)類型的系統(tǒng)用戶信道可以被非系統(tǒng)用戶機(jī)會(huì)使用的優(yōu)先權(quán)高于不滿足以上關(guān)系的系統(tǒng)用戶的信道的使用優(yōu)先權(quán)。同樣，對(duì)于不同業(yè)務(wù)類型的非系統(tǒng)用戶而言，滿足上述關(guān)系的業(yè)務(wù)類型的非系統(tǒng)用戶對(duì)系統(tǒng)用戶信道的使用具有優(yōu)先權(quán)。

圖3 系統(tǒng)用戶和非系統(tǒng)用戶占用信道特性

4.2 干擾驅(qū)動(dòng)效用函數(shù)

定義非系統(tǒng)用戶的干擾驅(qū)動(dòng)效用函數(shù)Usi,j：

其中，Bsi,j為非系統(tǒng)用戶i在第n個(gè)子集中系統(tǒng)用戶j所在信道所需的帶寬，asi,j為非系統(tǒng)用戶i在信道上的接入狀態(tài)系數(shù)，其定義分別為

其中，Psi,j為非系統(tǒng)用戶的發(fā)送功率，hsi,j為非系統(tǒng)用戶間衰落信道的衰減系數(shù)，N0為非系統(tǒng)用戶在信道上的加性噪聲功率。同時(shí)，定義約束條件為

定義γc,j為發(fā)生干擾時(shí)非系統(tǒng)用戶對(duì)系統(tǒng)用戶的干擾對(duì)信噪比的影響，hps,j為非系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)用戶間衰落信道的衰減系數(shù)，hp,j為系統(tǒng)用戶與基站間衰落信道的衰減系數(shù)，P0,j為系統(tǒng)用戶的發(fā)送功率，γth是一旦發(fā)生碰撞后，系統(tǒng)用戶對(duì)干擾可容忍的信噪比門限。

非系統(tǒng)用戶通過(guò)對(duì)吞吐量的優(yōu)化，得到最佳的接入信道j*：

4.3 信道選擇準(zhǔn)則

非系統(tǒng)用戶需要對(duì)信道可用度、業(yè)務(wù)匹配關(guān)系和效用優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行綜合比較之后，做出對(duì)信道選擇的決定，這三者之間的關(guān)系如表1所示。

表1 信道選擇參數(shù)

對(duì)每個(gè)非系統(tǒng)用戶而言，其所能感知到的可用信道集合中的每個(gè)子集中的每個(gè)信道都存在業(yè)務(wù)關(guān)系式滿足或不滿足，信道可用程度是高、中或者低，以及效用函數(shù)優(yōu)化結(jié)果是優(yōu)還是不優(yōu)的結(jié)果比較，根據(jù)表1中的結(jié)果，非系統(tǒng)用戶做出信道選擇的準(zhǔn)則如圖4所示。

圖4 非系統(tǒng)用戶對(duì)信道的選擇準(zhǔn)則

首先選擇業(yè)務(wù)匹配、信道可用度高并且是最優(yōu)化結(jié)果得到的信道；如果不存在這樣的信道就選擇業(yè)務(wù)匹配并且是最優(yōu)化結(jié)果得到的信道；如果還沒(méi)有這樣的信道，在信道可用度高的集合中選擇業(yè)務(wù)類型匹配的信道；如果仍然沒(méi)有這樣的信道，在信道可用度高的集合中選擇最優(yōu)化選出的信道；如果還是沒(méi)有這樣的信道，則在業(yè)務(wù)匹配的信道中隨機(jī)選擇信道接入；如果仍然沒(méi)有，則選擇最優(yōu)化結(jié)果選出的信道。

5 距離和業(yè)務(wù)結(jié)合的機(jī)會(huì)頻譜接入框架

在以上討論和定義的基礎(chǔ)上，本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中距離和業(yè)務(wù)結(jié)合的機(jī)會(huì)頻譜接入框架如圖5所示。

圖5 距離和業(yè)務(wù)結(jié)合的機(jī)會(huì)頻譜接入框架

對(duì)非系統(tǒng)用戶而言，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，首先對(duì)周圍可能存在的系統(tǒng)用戶進(jìn)行距離檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果將系統(tǒng)用戶信道進(jìn)行分類，計(jì)算相應(yīng)的信道可用度數(shù)值，建立列表。對(duì)檢測(cè)到的系統(tǒng)用戶上的信道，先根據(jù)系統(tǒng)用戶和非系統(tǒng)用戶的業(yè)務(wù)類型，即對(duì)信道的占用特性，計(jì)算業(yè)務(wù)匹配關(guān)系式，得出業(yè)務(wù)是否匹配的結(jié)果。再根據(jù)干擾驅(qū)動(dòng)效用函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化選擇，并保存結(jié)果。最后，在信道接入時(shí)，根據(jù)信道選擇準(zhǔn)則做出選擇。并且，在非系統(tǒng)用戶端建立的關(guān)于以上參數(shù)的列表會(huì)隨著系統(tǒng)用戶的位置變化而變化，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

6 仿真分析

在圖2所示的系統(tǒng)場(chǎng)景下進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)用戶對(duì)信道占用符合參數(shù)為β0、β1的ON-OFF模型，非系統(tǒng)用戶對(duì)信道占用符合參數(shù)為βs0i、βs1i的ON-OFF模型。非系統(tǒng)用戶x根據(jù)式(1)計(jì)算得到可用信道集合中關(guān)于每個(gè)可用信道的可用度，根據(jù)式(6)計(jì)算得到業(yè)務(wù)匹配的結(jié)果，根據(jù)式(11)得到對(duì)效用函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。然后根據(jù)圖4的流程，在βs0i、βs1i、β0、β1取不同參數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的不同業(yè)務(wù)類型，系統(tǒng)對(duì)非系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)用戶之間的碰撞概率進(jìn)行仿真和統(tǒng)計(jì)，得到表2。

表2中列向量是非系統(tǒng)用戶在不同業(yè)務(wù)模型下信道的占用模型對(duì)應(yīng)的不同參數(shù)，例如，表中第 2列和第3列，分別是在非系統(tǒng)用戶對(duì)信道占用的參數(shù)為βs01=25、βs11=100 和βs02=30，βs12=120 時(shí)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)用戶在釋放信道時(shí)間參數(shù)β1取不同值時(shí)得到的碰撞概率。行向量是系統(tǒng)用戶對(duì)信道釋放時(shí)間參數(shù)β1固定時(shí)，非系統(tǒng)用戶在不同業(yè)務(wù)模型下與系統(tǒng)用戶碰撞概率的比較。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，主用戶釋放信道的平均時(shí)間參數(shù)β1與非系統(tǒng)用戶對(duì)信道占用信道的參數(shù)βs0i和βs1i滿足業(yè)務(wù)匹配關(guān)系（式(6)）時(shí)，系統(tǒng)與非系統(tǒng)用戶間的碰撞概率最低，并且主用戶釋放信道的平均持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，碰撞概率也越低。

圖6給出了在系統(tǒng)用戶不同最大可容忍的干擾門限條件下，本文提出的方法下非系統(tǒng)用戶的平均容量與單純從容量?jī)?yōu)化角度進(jìn)行接入方法的非系統(tǒng)用的平均容量的比較，從圖中曲線可以看出本文方法的優(yōu)勢(shì)，整體性能比單純的容量?jī)?yōu)化方法可以有平均0.35bit的增加。

圖6 本文方法下認(rèn)知用戶的平均吞吐量

表2 不同業(yè)務(wù)下系統(tǒng)用戶與非系統(tǒng)用戶間的碰撞概率比較

7 結(jié)束語(yǔ)

本文考慮未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)頻譜使用面臨的問(wèn)題，以及針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特性導(dǎo)致對(duì)頻譜使用特性，提出適用于物聯(lián)網(wǎng)頻譜利用的機(jī)會(huì)頻譜接入方法。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和授權(quán)網(wǎng)絡(luò)并存的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的距離、業(yè)務(wù)、干擾特性進(jìn)行分析，并分別構(gòu)建了信道可用度列表、業(yè)務(wù)匹配關(guān)系式以及干擾驅(qū)動(dòng)函數(shù)等，三方面結(jié)合從跨層角度協(xié)同完成頻譜的機(jī)會(huì)接入策略，結(jié)果證明了本文方案的優(yōu)越性，以及對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下頻譜使用研究思路的可行性，相關(guān)內(nèi)容的研究和結(jié)果還有待進(jìn)一步深入。

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