認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用空閑認(rèn)知用戶的聯(lián)合隨機(jī)頻譜檢測策略

李建東 劉鑫一姜 建

(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

1 引言

認(rèn)知無線電技術(shù)使得更多的用戶有機(jī)會(huì)接入無線網(wǎng)絡(luò)中的空閑頻譜[13]-，從而大幅地提高頻譜利用率。其中存在一個(gè)重要的問題就是在不影響主用戶傳輸?shù)那疤嵯拢J(rèn)知用戶如何確定可接入的信道。主用戶信道在認(rèn)知用戶使用前必須被探知為空閑狀態(tài)，因而，認(rèn)知系統(tǒng)必須快速、可靠地檢測主用戶信道的使用狀況，從而獲得更多的空閑信道信息。認(rèn)知用戶之間的協(xié)作不僅可以使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的檢測性能得到提升[45]-，而且可以獲得更多的主用戶信道信息[6]。文獻(xiàn)[6]提出了隨機(jī)感知策略和協(xié)商感知策略，并且利用跨層的方法分析了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的性能。文獻(xiàn)[7]提出了基于部分可觀察馬爾可夫決策過程的MAC協(xié)議，這種策略可以很好地利用空閑頻譜資源。但要求每一個(gè)認(rèn)知用戶配備多個(gè)感知器并且復(fù)雜度較高，因而難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種主用戶模型為連續(xù)時(shí)間馬爾科夫模型的最優(yōu)接入策略。文獻(xiàn)[9]提出了基于半馬爾科夫預(yù)測模型的檢測策略。文獻(xiàn)[10]提出了一種簡單的不需要先驗(yàn)信息的多信道檢測順序模型。這些工作都沒有考慮利用認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的空閑用戶資源。文獻(xiàn)[11,12]將空閑認(rèn)知用戶引入到頻譜檢測中，從而提升了認(rèn)知系統(tǒng)的檢測性能。

為了保證頻譜檢測的準(zhǔn)確性，認(rèn)知用戶只能和與它相距一定范圍內(nèi)的用戶進(jìn)行協(xié)作[13,14]。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中主用戶的時(shí)變特性使得授權(quán)頻譜資源有機(jī)會(huì)處于空閑狀態(tài)，因而可以被認(rèn)知用戶使用；認(rèn)知用戶在網(wǎng)絡(luò)中同樣不會(huì)時(shí)時(shí)有數(shù)據(jù)需要傳輸，當(dāng)認(rèn)知用戶沒有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，處于空閑狀態(tài)的認(rèn)知用戶可以和同一范圍內(nèi)的其他用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測。相比傳統(tǒng)方案，將空閑認(rèn)知用戶用于檢測可以獲得更多的信道信息，從而增大了認(rèn)知用戶接入信道的機(jī)會(huì)，使系統(tǒng)的頻譜利用率得到提升。本文在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中存在空閑認(rèn)知用戶的條件下，基于文獻(xiàn)[6]所提出的隨機(jī)檢測策略，分析了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中利用空閑認(rèn)知用戶進(jìn)行隨機(jī)檢測后的接入時(shí)延和吞吐量，同時(shí)考慮存在大量空閑認(rèn)知用戶的場景下，認(rèn)知用戶匯報(bào)檢測信息會(huì)產(chǎn)生匯報(bào)開銷，此時(shí)加入過多的空閑認(rèn)知用戶會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)長減少，從而使系統(tǒng)的吞吐量降低。通過對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在聯(lián)合隨機(jī)檢測下的吞吐量進(jìn)行分析，得出最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

2 存在空閑認(rèn)知用戶的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

考慮單跳認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)認(rèn)知基站和一部分認(rèn)知用戶，在其旁邊存在一個(gè)主用戶網(wǎng)絡(luò)，主用戶通過授權(quán)頻段進(jìn)行通信。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶不會(huì)一直有數(shù)據(jù)需要傳輸。在當(dāng)前時(shí)刻，一部分有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶，稱之為處于活躍狀態(tài)的認(rèn)知用戶(活躍認(rèn)知用戶)；另外一部分認(rèn)知用戶沒有數(shù)據(jù)需要傳輸，但是處于聯(lián)合檢測范圍內(nèi)，這部分認(rèn)知用戶稱為處于空閑狀態(tài)的認(rèn)知用戶(空閑認(rèn)知用戶)，如圖1所示。認(rèn)知用戶在每一個(gè)時(shí)隙分別經(jīng)歷檢測階段和傳輸階段。在檢測階段，空閑認(rèn)知用戶和活躍認(rèn)知用戶同時(shí)進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果匯報(bào)至認(rèn)知基站，由認(rèn)知基站統(tǒng)一進(jìn)行處理[13]。認(rèn)知基站將已檢測到的空閑信道按照策略分配給活躍認(rèn)知用戶。空閑認(rèn)知用戶的存在使得認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在所需求空閑信道數(shù)不變的情況下，獲取信道信息的能力增加。參與檢測的空閑認(rèn)知用戶和活躍認(rèn)知用戶的數(shù)目分別表示為iN和aN，授權(quán)頻譜被劃分為個(gè)信道。

λ表示主用戶的占用率，K表示當(dāng)前時(shí)刻下可用的授權(quán)頻譜信道數(shù)，授權(quán)頻譜信道是否被占用是隨機(jī)的，則可用信道數(shù)為k的概率為

圖1 存在空閑認(rèn)知用戶的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

3 應(yīng)用空閑認(rèn)知用戶的聯(lián)合隨機(jī)頻譜檢測策略

由于無需前置信息且易于實(shí)現(xiàn)，因而隨機(jī)檢測策略被廣泛使用。隨機(jī)檢測策略是指所有參與檢測的認(rèn)知用戶隨機(jī)地抽取其中一個(gè)信道進(jìn)行檢測。用服務(wù)時(shí)延來表示檢測策略的性能：

考慮集中式控制模式使得每個(gè)時(shí)隙檢測到的空閑信道都能被分配給有需求的認(rèn)知用戶。忽略控制信道以及基站分配算法帶來的時(shí)延，時(shí)延的長短主要由認(rèn)知系統(tǒng)檢測策略的能力決定。

考慮在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，cN 為認(rèn)知基站中已獲得的不同可用信道數(shù)目，c為參與檢測的認(rèn)知用戶數(shù)。在隨機(jī)檢測策略下，認(rèn)知用戶獨(dú)立選擇一個(gè)信道進(jìn)行檢測，每個(gè)認(rèn)知用戶隨機(jī)地選擇x個(gè)信道中 1個(gè)的概率為1/x。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中存在k個(gè)可用信道的前提下，假設(shè)當(dāng)前c個(gè)認(rèn)知用戶已經(jīng)檢測到i個(gè)空閑信道，此時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)中未被檢測到的可用信道數(shù)目為k i- ，如果再有一個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)行檢測，其有可能檢測到空閑信道，也有可能檢測不到，那么系統(tǒng)中可用空閑信道數(shù)目為i或者，構(gòu)建馬爾科夫鏈表示認(rèn)知用戶檢測到不同的可用信道數(shù)目的概率為[6]

在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，x個(gè)認(rèn)知用戶在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)檢測到的可用信道數(shù)為y的概率可以通過式(3)中馬爾科夫鏈的x步轉(zhuǎn)移概率矩陣表示。認(rèn)知用戶檢測到可用信道數(shù)為j的概率為

假設(shè)每個(gè)認(rèn)知用戶在每個(gè)授權(quán)信道上的傳輸速率相同，表示為R，用表示平均檢測到的可用授權(quán)信道數(shù)，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量C可表示為

式(6)中T表示一個(gè)時(shí)隙的長度；tT表示當(dāng)前時(shí)隙下認(rèn)知用戶的傳輸階段時(shí)長，隨著參與檢測的認(rèn)知用戶數(shù)目不同，tT的長度會(huì)發(fā)生變化。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前時(shí)隙下的總體服務(wù)時(shí)延D表示為

在任意檢測策略下，空閑認(rèn)知用戶參與檢測使得認(rèn)知系統(tǒng)獲得更多的可用信道信息，使更多的活躍認(rèn)知用戶有機(jī)會(huì)利用頻譜資源。但是過多的認(rèn)知用戶參與檢測會(huì)使得系統(tǒng)性能下降，文獻(xiàn)[15]提出每個(gè)認(rèn)知用戶匯報(bào)檢測信息需要時(shí)間，過多的認(rèn)知用戶匯報(bào)檢測結(jié)果使得認(rèn)知用戶的傳輸時(shí)間下降。系統(tǒng)中的活躍認(rèn)知用戶需要參與檢測，但是可以只選擇一部分空閑認(rèn)知用戶參與檢測?？紤]系統(tǒng)中存在所有活躍認(rèn)知用戶都接入信道的可能性，即pN ≥。認(rèn)知用戶的標(biāo)準(zhǔn)化吞吐量可以表示為

式(9)為一離散函數(shù)，由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中空閑認(rèn)知用戶的數(shù)目是有限的整數(shù)，因此認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量在定義域范圍內(nèi)一定存在最大值。遍歷定義域內(nèi)每一個(gè)可取的值可以獲得吞吐量的全局最大值，但當(dāng)空閑認(rèn)知用戶較多時(shí)，遍歷所花費(fèi)的時(shí)間較長。通過對此函數(shù)進(jìn)行分析，將離散函數(shù)連續(xù)化，對連續(xù)函數(shù)進(jìn)行迭代求解，得出最優(yōu)化的參與檢測的空閑認(rèn)知用戶數(shù)。

式(3)代入式(13)，可以得到

式(14)和式(12)相減，可以得到

式(16)和式(15)相減，并利用式(3)，可以得到

證畢

4 仿真分析與結(jié)果

考慮系統(tǒng)中空閑認(rèn)知用戶的總數(shù)為40，每個(gè)認(rèn)知用戶的傳輸速率為1 Mbps。仿真場景選取文獻(xiàn)[5]中的參數(shù)，認(rèn)知用戶每個(gè)時(shí)隙時(shí)長100 ms,。圖2對比了在不同主用戶信道數(shù)目和不同信道占用率條件下認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量?？梢钥吹?，在加入少量的空閑認(rèn)知用戶進(jìn)行檢測后，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量得以提升，這是由于加入空閑認(rèn)知用戶可以使得認(rèn)知基站獲得更多的可用信道，從而使活躍認(rèn)知用戶有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行傳輸。

圖3對比了在主用戶信道狀況和活躍認(rèn)知用戶數(shù)不同的情況下，加入空閑認(rèn)知用戶所帶來的服務(wù)時(shí)延?？梢钥吹?，在主用戶占用率較高的情況下，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中可以獲得的可用信道數(shù)較少，系統(tǒng)擁有較高的服務(wù)時(shí)延，隨著加入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測的空閑認(rèn)知用戶數(shù)的增大，系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)延減小。

圖4對比了在不同條件下，吞吐量隨著參與檢測的空閑認(rèn)知用戶數(shù)的變化情況。由圖中可以看出，越多的認(rèn)知用戶參與檢測并不能帶來更高的吞吐量。當(dāng)活躍認(rèn)知用戶較多的時(shí)候，需要的空閑認(rèn)知用戶數(shù)目也隨之增加；在主用戶占用率較低的情況下，擁有較多主用戶信道數(shù)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要較少的空閑認(rèn)知用戶，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中大部分的主用戶處于空閑狀態(tài)，認(rèn)知用戶較容易檢測到空閑的主用戶信道；在主用戶占用率較低的情況下，擁有較多的活躍認(rèn)知用戶信道數(shù)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要較多的空閑認(rèn)知用戶。

圖2 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖3 服務(wù)時(shí)延

圖4 吞吐量隨著參與檢測的空閑認(rèn)知用戶數(shù)的變化情況

5 結(jié)論

在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，本文提出了一種利用空閑認(rèn)知用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測的方法。在利用空閑認(rèn)知用戶參與聯(lián)合檢測后，認(rèn)知系統(tǒng)的檢測能力得到提升，從而獲得更多的可用信道信息。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，空閑認(rèn)知用戶參與檢測可以提升認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，并且減少服務(wù)時(shí)延。本文提出的聯(lián)合檢測算法考慮認(rèn)知用戶匯報(bào)所帶來的額外時(shí)長，從而得出參與檢測的最佳空閑認(rèn)知用戶數(shù)目。

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