基于離散電視頻帶的頻譜接入策略研究

陸彥輝， 張 帥， 穆曉敏， 楊守義

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

基于離散電視頻帶的頻譜接入策略研究

陸彥輝， 張 帥， 穆曉敏， 楊守義

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

基于電視頻帶的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中主用戶為隨機(jī)出現(xiàn)的無(wú)線麥克等設(shè)備，其隨機(jī)行為使得可用頻譜離散化，產(chǎn)生許多小于用戶需求的頻譜碎片.將主用戶行為建模為Markov過(guò)程，定義頻譜占用度、碎片度及統(tǒng)計(jì)平均中斷概率來(lái)分析其行為對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并提出兩種接入策略，策略一加入調(diào)整因子并優(yōu)先選取較少連續(xù)信道，策略二基于k-agile接收機(jī)，考慮保護(hù)帶及靈敏度約束，以最小碎片數(shù)為目標(biāo)，非連續(xù)地接入頻譜，在物理層解決碎片問(wèn)題，仿真證明二者性能均優(yōu)于已有策略.

認(rèn)知無(wú)線電；Markov過(guò)程；頻譜碎片；頻譜接入策略；中斷概率

0 引言

隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，頻譜緊缺問(wèn)題俞發(fā)嚴(yán)重，而TV頻帶因其良好的傳播特性，且在多數(shù)地區(qū)存在較大空閑而備受人們關(guān)注，由此形成了IEEE 802.22協(xié)議[1-3].其中主用戶為隨機(jī)出現(xiàn)的無(wú)線麥克等設(shè)備，隨機(jī)占用/釋放授權(quán)信道，可用頻譜被離散為一系列由若干連續(xù)信道組成的碎片.而分布式系統(tǒng)沒(méi)有控制中心，相鄰頻塊間由功率泄露造成的跨頻干擾直接影響通信質(zhì)量，故接入策略應(yīng)兼顧由碎片導(dǎo)致的可用頻譜非連續(xù)及跨頻干擾問(wèn)題.

文獻(xiàn)[4]基于k-agile接收機(jī)解決非連續(xù)性問(wèn)題，但忽略了跨頻干擾，文獻(xiàn)[5-6]以插入保護(hù)頻帶的方法消除跨頻干擾，但未能解決非連續(xù)性問(wèn)題.已有策略未充分考慮非連續(xù)及跨頻干擾問(wèn)題，且忽略了頻譜結(jié)構(gòu)隨主用戶的動(dòng)態(tài)變化，使碎片問(wèn)題的研究缺乏普適性.為此筆者將主用戶行為建模為Markov，通過(guò)頻譜占用度和碎片度分析其對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并考慮非連續(xù)及跨頻干擾問(wèn)題，提出兩種接入策略，通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均中斷概率衡量策略性能.

筆者通過(guò)離散Markov模型，分析主用戶行為對(duì)頻譜結(jié)構(gòu)的影響，并以此提出兩種接入策略以解決實(shí)際中的頻譜碎片問(wèn)題，提高資源利用率.

1 系統(tǒng)模型

1.1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型

基于TV頻帶的分布式認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，次用戶通過(guò)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)AP(Access Point)接入主干網(wǎng)(VHF/UHF頻帶)，一個(gè)AP可連接多個(gè)次用戶.存在通信需求時(shí)由AP選擇滿足自身及相連次用戶需求的可用頻段，并將之廣播給次用戶，次用戶隨之調(diào)整中心頻率等參數(shù)接入該頻段.

而由于主用戶的隨機(jī)行為，主干網(wǎng)中空閑TV頻帶被離散為一系列碎片，圖1為一種具體分布.設(shè)信道數(shù)為N，這里信道指一個(gè)TV信道(6 MHz)，可用信道(未被主用戶占用)1、2和3即為一個(gè)碎片.由于多個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)均可接入主干網(wǎng)，故可用信道上存在來(lái)自其它認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的傳輸，即背景傳輸[6].

圖1 頻譜結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of spectrum

由此定義空時(shí)利用率，即可用信道被其它認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)占用的比率，其值可由SIFT技術(shù)[6]獲得，則可用信道共享率為

(1)

(3)

1.2 頻譜結(jié)構(gòu)模型

圖1只是一種分布情況，而實(shí)際頻譜結(jié)構(gòu)隨主用戶行為動(dòng)態(tài)變化，為定性分析，筆者定義頻譜占用度ζ和碎片度η

式中：N為總信道數(shù)，K為可用信道數(shù)，S為碎片數(shù).設(shè)信道同構(gòu)，根據(jù)已有研究[2]，設(shè)主用戶的到達(dá)服從泊松分布，到達(dá)率為λ，離開(kāi)服從負(fù)指數(shù)分布，離開(kāi)率為μ.將變量K建模為離散Markov，狀態(tài)空間為{0,1,…,N}，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率率為

設(shè)穩(wěn)態(tài)概率為TR={T0,T1,…,TN}，由TRR=TR，T0+T1+…+TN=1得:

TR=BA-1.

(4)

其中,R為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，系數(shù)矩陣A，B為：

對(duì)于方陣A，若其不滿秩，則存在某一行可由其余行表示，假設(shè)其中第i行可由其余行表示，則必然存在一組不全為0的{b0,b1,…,bN},使該行各元素均可由其所在列的其它元素表示，即b0·R0,0+b1·R0,1+…+bN·R0,N=0，而由各行元素之和為1，可得b0=b1=…=bN=1，但該組值并不能使行中其它列元素之和為0，即該行不能通過(guò)其余行表示，同理方陣A中各行均不可由其余行表示，則假設(shè)不成立，方陣A滿秩，則由式(4)可得(N+1)列向量TR唯一解.

(5)

由此可通過(guò)ξ和η描述主用戶行為對(duì)頻譜結(jié)構(gòu)的影響，二者概率可分別由式(4)和(5)確定.

1.3 問(wèn)題描述

(6)

2 動(dòng)態(tài)頻譜接入策略

2.1 基于連續(xù)接入的改進(jìn)策略

文獻(xiàn)[6]策略完全占用可用信道，如信道1共享率為0.6，若共享0.3即可滿足需求，則完全占用會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，故策略一加入自適應(yīng)調(diào)整，根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整占用度，如上述信道1，若共享0.3的信道即可滿足需求，則保留該信道上0.3的共享率給下一節(jié)點(diǎn).而為降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，加入調(diào)整因子β，依據(jù)β逐步調(diào)整占用度，釋放多余共享率，且優(yōu)先選擇滿足需求的最少連續(xù)信道.

策略一具體流程如下.

(1)確定總信道數(shù)N、節(jié)點(diǎn)數(shù)L、到達(dá)和離開(kāi)率λ，μ及Bguard，由η和ξ確定信道狀態(tài)A.

(4)更新信道狀態(tài)A(Cmin)=0.

time=time+β,ρ(ci)=time,A(ci)=1

M(Cmin)=M(Cmin)-β

end while

2.2 基于非連續(xù)的改進(jìn)策略

如圖2所示，連續(xù)頻譜接入基于1-aigle接收機(jī)，只能接入一段連續(xù)信道，策略二基于k-agile接收機(jī)[4]，在物理層聚合多個(gè)非連續(xù)信道以解決碎片問(wèn)題.

但k-agile接收機(jī)并非無(wú)限制的，其至多能同時(shí)接入k個(gè)非連續(xù)信道，k即為其靈敏度，且接入碎片越多，消耗保護(hù)帶也越多.故策略二節(jié)點(diǎn)以碎片數(shù)最小為目標(biāo)，選擇能以最小保護(hù)帶消耗滿足通信需求的頻段，可歸納為

(7)

(8)

(9)

其中，kagile為靈敏度，X={xi|i∈{1,2,…,N}.優(yōu)化問(wèn)題(7)即為找出一組xi，使其滿足約束條件的同時(shí)，所消耗的保護(hù)帶最小.該問(wèn)題屬于整型規(guī)劃問(wèn)題，采用遍歷搜索法進(jìn)行求解.

圖2 兩種接收機(jī)比較Fig.2 Comparison of two kinds of receivers

策略二具體流程如下.

(1)確定總信道數(shù)N、節(jié)點(diǎn)數(shù)L、到達(dá)和離開(kāi)率λ，μ及Bguard，由ξ和η確定A.

(3)依次為L(zhǎng)個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇滿足(7)的頻段.

forl=1:L

在約束(9)下，根據(jù)A搜索所有連續(xù)或非連續(xù)信道組合，按碎片數(shù)由小到大排列，記為MK

fork=1:length(MK)

跳出并記錄C，反之Lost(l)=1

endifendfor

更新信道狀態(tài)A(C)=0

endfor

綜上易知，策略一和策略二性能的提升是以復(fù)雜度為代價(jià)的，策略一根據(jù)β調(diào)整占用度，調(diào)整次數(shù)將隨β的減少而增大，即與實(shí)際需求相差俞小調(diào)整次越多.策略二在靈敏度k的限制下，考慮所有可能信道組合，增加了搜索的次數(shù)，故兩種策略下的復(fù)雜度均有所上升.但相較于其性能的提升，付出的復(fù)雜度代價(jià)是值得的.

3 仿真分析

3.1 保護(hù)帶大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖3為保護(hù)帶大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響.設(shè)Bguard為{0.1～1.1MHz}，其它參數(shù)不變.由于ξ和η均對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，故考慮所有可能的ξ及η，最終結(jié)果取均值.

圖3 保護(hù)帶大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.3 The impact of guard-band widthon the performance

3.2 頻譜占用度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4 ξ對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.4 The impacts of ξ on the system performance

3.3 節(jié)點(diǎn)數(shù)及靈敏度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖5 靈敏度對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.5 The impact the agility on the system

圖6 節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.6 The impact of the number of nodes on the system

節(jié)點(diǎn)數(shù)為1時(shí)，由于沒(méi)有節(jié)點(diǎn)再接入，故策略一調(diào)整與否對(duì)結(jié)果無(wú)影響.而節(jié)點(diǎn)增多時(shí)，策略一調(diào)整因子優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)，性能優(yōu)于文獻(xiàn)[6].對(duì)于策略二，節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，其靈活性優(yōu)勢(shì)更能體現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，由于總信道數(shù)固定，接入的節(jié)點(diǎn)越多，其靈活性優(yōu)勢(shì)越弱.

4 結(jié)論

筆者利用離散Markov，通過(guò)頻譜占用度及碎片度分析由主用戶隨機(jī)行為產(chǎn)生的碎片問(wèn)題.并提出兩種接入策略，策略一帶有調(diào)整因子并優(yōu)先選取較少連續(xù)信道，策略二基于k-agile接收機(jī)，考慮保護(hù)帶及靈敏度約束非連續(xù)地進(jìn)行接入.二者雖在復(fù)雜上略高于已有策略，但這種代價(jià)相較于其性能的提升是值得的.

[1] SHIN K, KIM H, MIN A, et al. Cognitive radio for dynamic spectrum access: from concept to reality [J]. Wireless Communication, IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 17(6): 66-74.

[2] NAVID T, SONIA A. Modeling and analysis of cognitive radio based IEEE 802.22 wireless regional area networks[J]. IEEE Trans on Wireless Communications, 2013, 12(9): 4363-4375.

[3] KANG K M, JEONG B J. TV band device for TV white space field trial[J]. IEEE ICCE, 2014, 10(1): 450-451.

[4] LILI C, LEI Y, HAITAO Z. The Impact of Frequency-Agility on Dynamic Spectrum Sharing[C]//In Proc of the IEEE DySPAN. Singapore, 2010, 6(4): 1-12.

[5] HOU W, LIN Z, LEI Y, XIUMING S. Guardband Analysis for Distributed OFDMA with User Heterogeneity[J]. Tsinghua Science and Technology, 2011,16(2):83-89.

[6] BAHL P, CHANDRA R, MOSCRIBRODA T, et al. White space networking with Wi-Fi like connec-tivity[C]//In Proc of the SIGCOMM. Spain, 2009:27-38.

[7] BRUALDI R. Introductory Combinatorics[M]. Pearson, 2009: 128-136.

[8] 楊守義，郝萬(wàn)明.認(rèn)知無(wú)線電中考慮公平性的OFDMA資源分配策略[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版，2014，35(3)：55-59.

Dynamic Spectrum Access Strategies in the Cognitive Radio Network Based on the Discrete TV Band

LU Yan-hui, ZHANG Shuai, MU Xiao-min, YANG Shou-yi

(School of Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

The unused TV bands are discretized by the behaviors of the random presence of the incumbents, considered as primary users in the cognitive radio network. The spectrum discreteness is ignored by most of the existing strategies, resulting in a mass of spectrum fragments that cannot afford the user’s demand. In the paper, the primary users are modeled as a Markov process, and the spectrum occupancy degree, fragments degree and the statistical average outage probability are defined to analyze the impact of the primary users on system performance. And two strategies are proposed in this paper. The first strategy involves adjustment factor and selects the fewer continuous channels. The second strategy based on the k-agile receiver involves the constraint of agility and guard bands, and selects the minimum non-contiguous fragments to solve the fragments problem in the physical layer. The simulations show that both strategies are superior to the existing strategies.

cognitive radio; Markov process; spectrum fragment; spectrum access strategy; outage probability

2014-08-25；

2014-11-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271421);新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0699)

陸彥輝(1972-)，女，河南許昌人，鄭州大學(xué)教授，博士，主要研究方向是無(wú)線通信系統(tǒng)資源管理，Email: ieyhlu@zzeu.edu.cn.

1671-6833(2015)01-0092-05

TN943

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.022