基于時間預(yù)測的多跳頻譜切換算法研究

寧國勤，張靜

華中師范大學(xué) 信息技術(shù)系，武漢 430079

基于時間預(yù)測的多跳頻譜切換算法研究

寧國勤，張靜

華中師范大學(xué) 信息技術(shù)系，武漢 430079

1 引言

認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)被認(rèn)為是提高頻譜利用率的一種有效方法[1]。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶（或稱為次用戶：Secondary Users，SUs）在使用分配給授權(quán)用戶（或稱為主用戶：Primary Users，PUs）的頻譜資源時，必須保證對PUs造成的干擾限制一定范圍內(nèi)。CR網(wǎng)絡(luò)有分布式控制和集中式控制兩種主要結(jié)構(gòu)形式[2-3]。在分布式CR網(wǎng)絡(luò)中，沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。而在集中式控制CR網(wǎng)絡(luò)中，有認(rèn)知基站（CR-BS）或接入點存在，這樣SUs可以和遠端的用戶進行通信。

CR網(wǎng)絡(luò)中的頻段很寬，不同頻段的頻譜具有異構(gòu)特征，表現(xiàn)在傳輸功率、覆蓋范圍、比特錯誤率、數(shù)據(jù)速率等方面[2]。另外，SUs可能是靜止的，也可能是移動的，而移動將會進一步造成對PUs的干擾，同時分配信道的使用時間也將受到影響。針對集中控制CR網(wǎng)絡(luò)，曾圍繞用戶移動和頻譜異構(gòu)給出了一種動態(tài)頻譜共享算法[4]。在該算法中，建立了信道共享分配效用函數(shù)，但SUs只能以單跳方式接入到CR-BS。因此，一旦正在通信的SUs由于移動遠離CR-BS，或是PUs出現(xiàn)，則需要進行信道切換，若此時沒有可以單跳接入的空閑信道，就必然會出現(xiàn)通信中斷。為了提高用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS），可以采用多跳切換來減少切換阻塞概率，這將是本文要解決的重要問題。

目前，針對CR Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同的性能指標(biāo)已經(jīng)提出了一些路由協(xié)議。其中，有一類基于時延的路由協(xié)議[5-7]，考慮了切換、媒體接入、隊列排隊等時間，這些協(xié)議能夠優(yōu)化端到端時延，然而節(jié)點移動對鏈路使用時間的影響卻沒有考慮。為了避免對PUs的干擾，Ding等人使用功率控制和SINR來優(yōu)化路徑選擇和頻譜分配[8]。然而，當(dāng)不同頻段具有不同的傳輸距離時，高的SINR并不總表示長的使用時間。而且，如果節(jié)點移動時，SINR變化很快，這就需要將節(jié)點移動考慮到鏈路可使用時間中。文獻[9]首次在CR Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中采用節(jié)點移動來預(yù)測鏈路穩(wěn)定時間，但是預(yù)測時必須使用兩個節(jié)點之間的3個距離樣本[10]，另外也沒有考慮頻譜異構(gòu)特性。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上[4]，提出了一種多跳信道切換算法。針對兩個移動節(jié)點，建立一種信道可使用時間預(yù)測模型，然后設(shè)計出一種基于路徑可使用時間預(yù)測的路由算法。仿真結(jié)果表明，提出的算法可以大大降低信道切換阻塞概率，同時信道利用率也得到進一步提高。

2 系統(tǒng)模型

在圖1所示的集中控制CR網(wǎng)絡(luò)中，SUs可以是靜止或運動的，SUs和CR-BS都需要進行頻譜信道檢測。假設(shè)能夠檢測到的授權(quán)和非授權(quán)信道集合為C，信道總數(shù)量為|C|=M。按傳輸距離不同將C內(nèi)信道共分為L種，用Rl表示第l類信道的覆蓋半徑，l={1，2，…，L}。Cl表示第l類信道集合；Ci表示第i個SU檢測到的可用信道集合，則Ci?C，且|Ci|=Mi≤M；表示Ci中傳輸距離為第l類的信道集合，則在后面的分析和仿真中，假設(shè)L=3，且變量l表示信道類型，變量i表示一個特定的SU用戶。另外，假設(shè)存在一個用于CR-BS和SUs以及SUs間的公共控制信道CCC[11]。

圖1 集中控制CR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖(L=3)

另外，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有L種類型的PUs，第l種類型的PUs只能使用第l種類型的信道Cl。當(dāng)一個類型為l的PU出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，若無l類型的信道可使用時，則附近正在使用l類型信道的SUs必須釋放一個l類型的授權(quán)信道。

CR網(wǎng)絡(luò)中3種類型信道的傳輸半徑分別為R1、R2、R3，從圖1中可看出，圍繞CR-BS將形成3層可單跳通信區(qū)域，分別是外層、中間層和內(nèi)層。任何位置的SUs都可檢測C中哪些信道空閑，包括CR-BS。若用戶SUi位于外層，檢測可用信道組為Ci，但只有傳輸距離最遠的信道可用來和CR-BS進行通信。若SUi位于內(nèi)層，則、和都可用。因此，隨著與CR-BS之間距離的增加，SUs可使用的信道也相應(yīng)減少。在這種情況下，信道分配就必須考慮SUs在網(wǎng)絡(luò)中的位置以及移動模式。

SUs發(fā)起新連接請求時，和CR-BS只能以單跳方式進行通信，此時的信道共享分配方法詳見文獻[4]。當(dāng)通信中的SUs由于本身移動或PUs出現(xiàn)需要從正在使用的信道中退出時，若此時沒有空閑的信道用來進行單跳切換，則需要進行多跳切換，這將是本文重點研究的內(nèi)容。由于用戶移動和信道傳輸距離不同，所以在進行信道切換時，為了使建立的多跳切換路徑的可使用時間盡可能長，本文采用了移動模型來預(yù)測鏈路可使用時間，CR-BS將選擇可使用時間最長的路徑作為多跳切換的路由。

3 信道可使用時間預(yù)測

在無線通信的熱點地區(qū)，通過頻率復(fù)用技術(shù)將宏小區(qū)分裂為面積更小的微小區(qū)，可以獲得更高的系統(tǒng)容量[12]，信道的傳輸范圍因此也將變得更小。另外，頻譜檢測不可避免地存在錯誤檢測，為了盡量避免對PUs的干擾，SUs的發(fā)射功率將受到控制，對于移動用戶，實際的信道可使用時間將縮短。考慮到這些，假設(shè)在CR網(wǎng)絡(luò)中，移動用戶的速度和方向在通信期間保持不變[9]。

假設(shè)兩個認(rèn)知節(jié)點SUi和SUj都是移動的，開始的二維位置坐標(biāo)為(xi，yi)和(xj，yj)，移動速度和方向分別是(θi，vi)和(θj，vj)。另外，假設(shè)存在一個空閑信道可用于連接SUi和SUj，該信道的最大傳輸覆蓋半徑為dmax，兩個節(jié)點開始的距離為d0。當(dāng)兩個節(jié)點移動到距離為dmax時，該信道將不能使用，因此利用圖2所示的幾何模型，可以預(yù)測該信道連接兩個節(jié)點的時間tp。

圖2 信道可使用時間預(yù)測模型圖

經(jīng)過tp時間后，SUi和SUj的新位置坐標(biāo)為：

則表達式（1）可以轉(zhuǎn)換為：

最后，可以得到信道可使用時間tp為：

該信道使用時間預(yù)測模型也可以用于一個節(jié)點靜止，另一個節(jié)點移動的情形。然而，當(dāng)兩個節(jié)點都處于靜止?fàn)顟B(tài)時，則tp→∞。這樣在信道分配時，根據(jù)預(yù)測時間不易區(qū)分不同傳輸范圍的信道，而且若是靜止節(jié)點直接接入CR-BS，則靜止節(jié)點相對于移動節(jié)點更容易分配到信道。在仿真部分，將假設(shè)SUs的最小移動速度為v=1 m/s。因此，為了改善公平性，當(dāng)tp=∞時，設(shè)置tp=2Rl。另外，為了避免鏈路使用時間過短，設(shè)置一個信道可使用時間門限Tth。

4 多跳頻譜切換

在集中控制CR網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)PUs出現(xiàn)或SUs移動出信道的最大覆蓋范圍時，就需要進行頻譜切換，即信道切換。切換時，如果在CR-BS和SUs間不存在空閑且覆蓋范圍滿足要求的單跳接入信道，則可以采用多跳切換。本章將主要介紹基于預(yù)測時間和用戶移動的多跳切換路由和信道分配方法。

4.1 距離指示變量

信道能否被使用與節(jié)點間的距離以及信道本身的傳輸距離有關(guān)，因此定義距離指示變量為：

其中，dSUi?SUj表示SUi與SUj間的距離；表示檢測到的第l類信道在傳輸距離上是否可供SUi與SUj的通信。當(dāng)=1時，表示兩個節(jié)點間的距離小于第l類信道的傳輸距離，則SUi可使用該類信道和SUj進行通信。

4.2 源節(jié)點

當(dāng)一個SU節(jié)點需要切換時，這個源節(jié)點（Source Node）就發(fā)起路由請求。首先，向鄰居節(jié)點廣播一個路由請求包（RREQ），RREQ中包含的重要信息有：源節(jié)點ID號，預(yù)測的路徑可用時間Tpath，最短鏈路時間戳tlink，當(dāng)前節(jié)點選擇的信道csel及該信道的預(yù)測使用時間Tcsel，當(dāng)前節(jié)點的位置、速度和方向以及可使用的信道組CRREQ。

其中，路徑可使用時間Tpath由該路徑中的最短可使用時間的鏈路來決定。由于路由需要時間，所以當(dāng)RREQ到達后面節(jié)點時，該路徑前面可能存在移動中間節(jié)點，則這些鏈路的可使用時間將會由于節(jié)點移動而減少，這就是設(shè)置最短鏈路時間戳tlink的原因。

4.3 中間節(jié)點

為了避免多跳路由時出現(xiàn)環(huán)路，同時為了減少跳數(shù)，在接收到RREQ的多個鄰居節(jié)點中，只有方位角為2θmax且朝向目的節(jié)點的那些節(jié)點可以繼續(xù)前傳RREQ[13]。另外，考慮到信道切換和隊列時延，處于工作狀態(tài)中的節(jié)點將不會被作為接力傳輸中間節(jié)點，只有處于空閑狀態(tài)的節(jié)點能夠前傳RREQ。接下來將具體分析中間節(jié)點的路由過程：

（1）如果節(jié)點SUi是源節(jié)點的鄰居節(jié)點，且滿足作為中間節(jié)點的條件，則進行如下處理步驟：

步驟3如果Tpath＞Tth，則進入下一步步驟4；否則就丟棄該RREQ并結(jié)束路由處理，這就意味著該鄰居節(jié)點不適合作為路由中間節(jié)點，因為鏈路可使用時間太短。

步驟5監(jiān)測信道CCC，當(dāng)CCC空閑時，就把發(fā)送RREQ的時刻作為最短鏈路時間戳tlink，并且發(fā)送RREQ到下一跳的鄰居節(jié)點，同時將RREQ保存在路由列表中。

（2）假設(shè)第二跳或更多跳的中間節(jié)點SUj接收到RREQ，同時假設(shè)發(fā)送該RREQ的前一個節(jié)點為SUi，則SUj將作如下處理：

步驟1假設(shè)RREQ到達SUj的時刻為，如果，就意味著從源節(jié)點到該節(jié)點的最短鏈路時間減少到低于時間門限以下，因此該節(jié)點將丟棄RREQ并終止處理；否則，就進入下一步。

步驟2與源節(jié)點的鄰居節(jié)點類似，SUj將計算Ci，j，如果Ci，j≠?，則進入下一步；否則就丟棄接收到的RREQ。

步驟3預(yù)測Ci，j中的信道可使用時間。

步驟4選擇一個信道作為新的csel，并更新Tpath和Tcsel，或丟棄RREQ，具體算法如下：

SUj選擇和前一個節(jié)點相同的信道作為csel

步驟5更新RREQ中節(jié)點的位置、速度、CRREQ。監(jiān)測CCC，若CCC可用，如果Tpath被tmax更新，則最短鏈路時間戳tlink將被更新為當(dāng)前發(fā)送RREQ的時刻，否則不更新。

4.4 目的節(jié)點（CR-BS）

當(dāng)RREQ到達目的節(jié)點CR-BS時，像中間節(jié)點一樣，CR-BS將預(yù)測可用信道的使用時間，并選擇一個合適的信道作為最后一跳鏈路使用的信道。當(dāng)CR-BS首次接收到來自源節(jié)點的RREQ時，將再等待一段比較短的時間Δt，以接收其他路徑來的RREQ。一旦存在多條路徑，CR-BS將選擇具有最長路徑時間的路徑作為最優(yōu)路由，并回傳一個RREQ給源節(jié)點，從而確定要使用的路徑。

假設(shè)接收到N條路徑，對于路徑j(luò)，RREQ中的路徑可使用時間為Tpath(j)。定義(1)表示接收到第一條路徑的時刻，則其他路徑可使用時間將更新為：

否則，就表示沒有合適的路徑來完成多跳切換。

5 仿真實驗

5.1 仿真模型

仿真場景為4 000 m×4 000 m的區(qū)域，PUs用戶可以出現(xiàn)在該區(qū)域的任何地方。CR-BS位于該區(qū)域的正中間。信道共12個，3種類型，每種類型信道為4個，傳輸距離分別為100 m、300 m、1 000 m。另外，設(shè)置一個CCC信道用于節(jié)點間的信息交互。30個SUs最初隨機分布在CR-BS周圍半徑為1 000 m的范圍內(nèi)。SUs移動的概率為1/2，移動速度均勻分布于[1，20]m/s之間，移動方向同樣均勻分布于[0，2π)。當(dāng)一個SU運動到遠離CR-BS超過1 000 m，且切換中斷或通信結(jié)束，則重新隨機產(chǎn)生一個新的SU，從而保證區(qū)域內(nèi)SUs數(shù)量保持不變。

在網(wǎng)絡(luò)中，PUs用戶出現(xiàn)服從泊松分布，SUs請求發(fā)起新連接也服從泊松分布，均值為λ。建立連接后的工作時間服從指數(shù)分布，均值為1/μ=60 s。信道可使用門限時間Tth=10 s。為了比較性能，將文獻[4]提出的單跳接入信道分配方法稱為方案1，本文加入多跳切換后提出的信道分配方法稱為方案2。

5.2 實驗結(jié)果及分析

引入多跳信道切換后，需要切換的次數(shù)與成功切換的次數(shù)將決定切換阻塞概率。設(shè)置λPU=λSU=0.2。根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，在增加多跳切換后，方案2需要的信道切換次數(shù)要多于方案1，這是由于采用多跳切換后，路徑中的中間節(jié)點移動和PUs的出現(xiàn)將導(dǎo)致重新路由。但是，相對于方案1，方案2中成功切換的次數(shù)要明顯多于方案1中成功切換的次數(shù)。這是因為在方案1中，若沒有合適的信道進行單跳切換，則切換失敗，所以，在方案2中，已經(jīng)建立連接的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量將能得到更好的保證。

圖3 需要切換和成功切換次數(shù)的比較

正是由于多跳切換，單跳切換不成功的連接將通過多跳路徑得以保持，因此本文提出的方案2的信道切換阻塞概率要低于方案1，如圖4所示。

CR技術(shù)的最終目的是提高頻譜利用率，由于使用了多跳切換，當(dāng)用戶移動到超出正在使用的信道覆蓋范圍，而沒有更大覆蓋范圍的空閑信道使用時，通過多跳路由到CR-BS，則空閑的其他覆蓋范圍小的信道可以被使用，這樣就能夠提高信道利用率。因此，方案2比方案1具有更高的信道利用率，如圖5所示。

圖5 信道利用率

對于單跳接入，路徑只由一條SU到CR-BS的鏈路組成。圖6顯示了路徑平均使用時間，當(dāng)采用多跳接入后，方案2中的單跳接入路徑平均時間要高于方案1，方案2中的多跳路徑平均時間比單跳路徑平均時間短，這是由于多跳路徑由多條鏈路組成，這樣更容易受到節(jié)點移動和PUs出現(xiàn)的影響。但是，由于設(shè)置了時間門限Tth，所以建立的多跳路徑平均時間不至于太短，從而引發(fā)更加頻繁的切換。

圖6 平均路徑時間(λPU=0.1)

頻譜切換通常是由于PUs的出現(xiàn)以及SUs的移動造成的，以往，二者對分配信道的使用時間的影響還沒有進行過對比研究。在此，為了對比這方面的性能，針對方案1假設(shè)兩種仿真情形：第一種，λPU變化，而SUs的移動速度都相同且固定不變；第二種，假設(shè)λPU固定不變，而SUs的速度發(fā)生變化。從圖7可以得知，當(dāng)λPU從0.05增加到0.30，靜止SUs的鏈路平均可用時間比SUs速度為2 m/s時要長。當(dāng)速度從1 m/s增加到11 m/s，λPU為0.05時的鏈路平均時間要比λPU為0.1時長。這就表明，PUs中活動的用戶越多，或SUs本身的速度越快，分配信道的使用時間則越短。另外，通過比較還可以發(fā)現(xiàn)，在一定程度和條件下，SUs的移動對鏈路可使用時間的影響比PUs的活動還要大些，這就需要在進行頻譜共享分配時將SUs的速度考慮進去。

圖7 PUs用戶活動和SUs速度對鏈路平均可使用時間的影響比較

6 結(jié)束語

針對集中式控制CR網(wǎng)絡(luò)提出了一種多跳頻譜切換算法，網(wǎng)絡(luò)中不同類型的頻譜具有不同的覆蓋范圍，而且認(rèn)知用戶能以不同的速度和方向移動。建立了移動模型來預(yù)測信道可用時間，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于時間預(yù)測的多跳路由算法，考慮了節(jié)點移動對鏈路可使用時間的影響。仿真結(jié)果顯示，多跳切換方法比單跳切換方法具有更低的切換阻塞概率，同時信道利用率也得以提高。另外，通過進一步的仿真研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知用戶的移動速度是另一個影響頻譜切換的重要因素。

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NING Guoqin,ZHANG Jing

Department of Information Technology,Central China Normal University,Wuhan 430079,China

In order to guarantee the quality of service for spectrum handoff,a multi-hop spectrum handoff algorithm is presented for the centralized cognitive radio networks,in which spectrum heterogeneity has been taken into account.A user mobile model is developed to predict the usage time of allocated channel,the different processing approaches are designed for different types of nodes in the routing path,and the cognitive radio base station selects the optimal path according to the predicted shortest path time and time stamp.Simulation results reveal that the proposed multi-hop routing algorithm can considerably decrease the handoff blocking probability,and the channel utilization is also enhanced.Moreover,further simulation results show that cognitive radio node’s mobility plays an important role in the channel available usage time.

cognitive radio;spectrum heterogeneity;spectrum handoff;multi-hop routing

針對集中控制認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，在考慮頻譜異構(gòu)特性的同時，為保證頻譜切換業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提出了一種多跳頻譜切換算法。通過建立用戶移動模型來預(yù)測分配信道的可使用時間；設(shè)計出路徑中不同類型節(jié)點的路由處理方法；認(rèn)知基站根據(jù)預(yù)測最短路徑時間和路由請求包中的時間戳來選擇最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明，提出的多跳頻譜切換算法能夠大大降低切換阻塞概率，提高信道利用率；用戶移動對信道可使用時間有著顯著的影響。

認(rèn)知無線電；頻譜異構(gòu)；頻譜切換；多跳路由

A

TN929

10.3778/j.issn.1002-8331.1110-0680

NING Guoqin,ZHANG Jing.Research on time prediction based multi-hop spectrum handoff algorithm.Computer Engineering and Applications,2013,49（13）：71-75.

湖北省自然科學(xué)基金（No.2011CDB164）；華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（No.CCNU09A01007）。

寧國勤（1975—），男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域為認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的無線資源管理技術(shù)；張靜（1976—），女，講師，主要研究領(lǐng)域為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計，無線多媒體技術(shù)。E-mail：gqning@mail.ccnu.edu.cn

2011-11-08

2012-01-09

1002-8331（2013）13-0071-05

CNKI出版日期：2012-03-21http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20120321.1738.058.html