基于信道性能的頻譜分配算法

趙知?jiǎng)?，張璐蘋

(1.杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第36研究所 通信系統(tǒng)信息控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江嘉興 314001)

認(rèn)知無(wú)線電(CR)技術(shù)[1]是解決頻譜資源匱乏的有效手段。近幾年來(lái)，對(duì)頻譜分配的研究非常廣泛，算法有圖論[2]、線性注水法[3]、貪婪算法[4]以及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)算法等。

[2]提出了顏色敏感圖著色(CSGC)頻譜分配算法，考慮了各信道間的干擾性以及頻譜效益的差異性,使網(wǎng)絡(luò)總效益最大化，但是其未考慮信道性能等因素對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，主用戶PU(Primary User)的接入具有時(shí)變特性，當(dāng)主用戶到達(dá)時(shí)，若次用戶SU(Secondary User)沒(méi)有及時(shí)撤離，則會(huì)對(duì)主用戶的通信產(chǎn)生干擾，這就要求次用戶進(jìn)行頻譜切換或中斷。頻繁的頻譜切換會(huì)增加系統(tǒng)的感知時(shí)間、執(zhí)行切換的次數(shù)，也會(huì)增加次用戶的等待時(shí)長(zhǎng)，降低系統(tǒng)性能[5]。

[6]提出考慮了信道可用率的頻譜分配算法，但是其沒(méi)有考慮到次用戶傳輸時(shí)間對(duì)可用率的影響，次用戶所需的傳輸時(shí)間越長(zhǎng)，信道相對(duì)可用率越低；其次，也沒(méi)有考慮到信道衰落因子這個(gè)因素。信道衰落因子的大小會(huì)直接影響到信道的信噪比、檢測(cè)概率[7]以及誤碼率，繼而影響到系統(tǒng)實(shí)際的效益值。綜上所述，次用戶需要根據(jù)主用戶的信道特性，結(jié)合自身業(yè)務(wù)量的大小，選擇合適的信道進(jìn)行傳輸。

本文利用ON-0FF模型對(duì)授權(quán)信道使用情況進(jìn)行建模，采用基于次用戶業(yè)務(wù)時(shí)間的相對(duì)頻譜利用率、信道衰落因子來(lái)衡量信道性能，最后結(jié)合CSGC[8]算法進(jìn)行頻譜分配，該算法可以在提升實(shí)際總效益的同時(shí)，降低信道的切換概率以及誤碼率。

1 問(wèn)題描述

如果把主用戶在授權(quán)信道上的通信活動(dòng)看成是ON與OFF兩個(gè)狀態(tài)交替出現(xiàn)的更新過(guò)程,即ON-OFF模型,假設(shè)共有M個(gè)信道，則對(duì)于信道m(xù)(1≤m≤M)，表示信道空閑狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，其服從參數(shù)為λm的負(fù)指數(shù)分布：

其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示。

圖1 信道m(xù)在Δt時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

若t=0時(shí)刻信道處于空閑狀態(tài)，則根據(jù)馬爾科夫鏈以及更新公式[9]可得信道m(xù)的瞬時(shí)可用率為：

信道m(xù)的平均可用概率為：

信道平均可用概率是指頻譜空穴出現(xiàn)、可被次用戶使用的概率。參考文獻(xiàn)[6]根據(jù)信道平均可用概率式(4)的大小來(lái)優(yōu)化CSGC算法中的信道效益矩陣。但是，參考文獻(xiàn)[6]沒(méi)有考慮到次用戶本身的傳輸時(shí)間對(duì)可用概率的影響，即沒(méi)有由傳輸時(shí)長(zhǎng)和頻譜空穴時(shí)長(zhǎng)綜合決定次用戶的信道選擇。

設(shè)次用戶n的業(yè)務(wù)時(shí)間為Tn，則稱次用戶n在信道m(xù)上完成傳輸?shù)淖钚「怕蕿橄鄬?duì)信道可用概率Pn,m：

頻譜空洞時(shí)變特性對(duì)不同的次用戶有差異。信道相對(duì)可用概率是指頻譜空穴被某個(gè)次用戶使用，使次用戶在此頻帶上能夠完成傳輸?shù)母怕?，即在業(yè)務(wù)完成之前不發(fā)生切換的概率。信道相對(duì)可用概率越高，則意味著次用戶在數(shù)據(jù)傳輸中切換的概率越小、切換次數(shù)越少，由此切換成本降低，實(shí)際效益得到提高。

設(shè)本文采用BPSK調(diào)制，則次用戶n在信道m(xù)上進(jìn)行傳輸時(shí)的誤碼率、實(shí)際效益、檢測(cè)概率分別為：

在以往的頻譜分配文獻(xiàn)中，都沒(méi)有考慮信道衰落對(duì)頻譜分配的影響。從式(6)、(7)、(8)可以看出，BER的大小與信道衰落因子有關(guān)，衰落越明顯，誤碼率越高。衰落越大，實(shí)際效益值越低，檢測(cè)準(zhǔn)確率越低。

因此，在進(jìn)行頻譜分配的過(guò)程中，需要考慮到相對(duì)信道利用率以及信道衰落因子這兩個(gè)因素。

2 基于信道性能的CSGC算法

一般圖著色模型建模如下：其中n表示次用戶(1≤n≤N)，m表示信道(1≤m≤M)，N、M分別為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中次用戶數(shù)量和授權(quán)信道數(shù)量。

(1)空閑矩陣L。L={ln,m|ln,m∈{0,1}}N×M,即次用戶可使用的頻譜矩陣。當(dāng)ln,m=1時(shí)，表示次用戶n可以使用信道m(xù)，ln,m=0，表示不可用。

(2)效益矩陣B。B={bn,m}N×M，bn,m表示次用戶n使用信道m(xù)給系統(tǒng)帶來(lái)的效益。LB={ln,m·bn,m}，當(dāng)ln,m=0時(shí)，表示信道不可用，實(shí)際效益為0。

(3)干擾矩陣C。認(rèn)知用戶在使用相同信道時(shí)可能會(huì)互相會(huì)產(chǎn)生干擾。 C={cn,k,m|cn,k,m∈{0,1}}N×N×M，cn,k,m=1表示次用戶n和次用戶k同時(shí)使用信道m(xù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾，cn,k,m=0表示不會(huì)產(chǎn)生干擾。

(4)無(wú)干擾分配矩陣A。A={an,m|an,m∈{0,1}}N×M，an,m=1表示信道m(xù)被分配給次用戶n。矩陣A必須滿足無(wú)干擾條件：

不同次用戶在不同頻帶上的可用信道性能不同、衰落因子不同、理想效益不同，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要考慮各個(gè)方面因素的影響。由此提出基于信道性能的CSGC頻譜分配算法。

R為實(shí)際效益矩陣，本文將R矩陣表示成信道相對(duì)可用率Pn,m以及信道衰落因子hn,m兩個(gè)因素的函數(shù)，如式(9)所示：

其中，rn,m表示次用戶n在信道m(xù)上獲得的實(shí)際效益值，即綜合考慮了兩個(gè)因素后的效益。因此，其目標(biāo)函數(shù)為：

本文采用協(xié)作式最大化總帶寬(CMSB)準(zhǔn)則[2]，使得節(jié)點(diǎn)可取得協(xié)作最大總效益，標(biāo)記為labeln*：

其中Dn,m為信道m(xù)上與用戶n有干擾的用戶個(gè)數(shù)，Dn,m=

本文所提出的基于信道性能的CSGC頻譜分配算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖

3 算法仿真與性能分析

本節(jié)分析比較未考慮信道性能的CMSB算法[2]，只考慮信道利用率[6]的方法和本文提出的基于多種信道性能的頻譜分配算法在切換概率、誤碼率、實(shí)際總效益等方面的性能。

取信道數(shù)目M=10，次用戶數(shù)目N為1～10，每個(gè)信道隨機(jī)生成500組次用戶到達(dá)率和離開(kāi)率，0≤λm,μm≤1，m=1,2,…10,次用戶n(1≤n≤N)的業(yè)務(wù)量傳送時(shí)間都設(shè)為500 s。圖3(a)、(b)分別給出了參考文獻(xiàn)[2]、參考文獻(xiàn)[6]算法以及本文算法的切換概率和誤碼率。實(shí)驗(yàn)取200次仿真結(jié)果的平均值。從圖3可以看出，雖然本文算法的切換概率略低于只考慮切換概率的信道選擇算法，但誤碼率明顯低于后者。

取信道數(shù)目M=10，次用戶數(shù)目N為10，B、L、C矩陣根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]附錄產(chǎn)生，圖4(a)、(b)分別給出了本文算法與參考文獻(xiàn)[2]和參考文獻(xiàn)[6]算法在50次試驗(yàn)中實(shí)際效益值的比較。從圖中可以看出，本文算法的實(shí)際效益值高于后兩種算法。

圖4 三種算法實(shí)際總效益比較

本文主要研究信道狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率、衰落因子以及次用戶通信時(shí)間對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際總效益的影響。仿真結(jié)果表明，該算法在降低系統(tǒng)整體切換概率、誤碼率的同時(shí)，提高了系統(tǒng)實(shí)際總效益。

參考文獻(xiàn)

[1]Federal Communications Commission.Spectrum Policy Task Force Report[R].ET Docket,2002,02-135.

[2]Zheng Haitao,Peng Chunyi.Collaboration and fairness in opportunistic spectrum access[C].IEEE International Conference Communication.May 2005∶3132-3136.

[3]Zhang Dongmei,Xu Youyun,Cai Yueming.Liner water filling power allocation algorithm in OFDMA system[J].Journal of Electronics&Information Technology,2007,29(6)∶1286-1289.

[4]DIRK H H.Ensemble modem structure for imperfect transmission media[P].U.S.Patent 4679227,1987,4731816,1988 and 4833796,1989.

[5]HAUSI C，HAGENAUER J.Iterative network and channel decoding for the two-way relay channel[C].Proc.of IEEE ICC’06.Istanbul,Turkey∶IEEE,2006∶11-18.

[6]張偉衛(wèi),趙知?jiǎng)?王海泉.一種結(jié)合信道性能的頻譜分配算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(23)∶49-51.

[7]TEVFIK Y,HUSEYIN A.A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications[C].in Proc of IEEE Conference on Communications,2009∶116-122.

[8]Peng Chunyi,Zheng Haitao,Zhao Ben Y.Utilization and fairness in spectrum assignment for opportunistic spectrum access[C].IEEE International Conference on Communications(ICC),2006,11∶555-576.

[9]HAUSL C,DUPRAZ P.Joint network-channel coding for the multiple-access relay channels[C].Proc.of Intern.Workshop on Wireless Ad-hoc and Sensor Networks(IW-WAN),New York,USA∶IWWAN,2006∶19-22.

[10]PENG C,ZHENG H.ZHAO B.Utilization and fairness in spectrum assignment for opportunistic spectrum access[J].Mobile New Applications,2006(11)∶555-576.