認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中基于切換概率的頻譜空洞匹配方案

吳瓊　曾亞　王旭東　顏愛良　鄒維軍

摘要：針對目前認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，只考慮授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量，很少考慮次用戶服務(wù)質(zhì)量的問題，兼顧無線頻譜資源的使用效率，文中提出一種基于切換概率的頻譜匹配方案，算法通過限制次用戶通信過程中的切換概率，保證次用戶的服務(wù)質(zhì)量，使次用戶在通信過程中的切換次數(shù)減少。仿真結(jié)果表明，使用切換概率與目標(biāo)頻譜切換概率 進(jìn)行匹配的方案可以更好的保證次用戶系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，減少頻譜切換的次數(shù)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)；頻譜空洞；切換概率

中圖分類號(hào)：TN911.3 7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0055-03

1 引言

在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次用戶機(jī)會(huì)式地使用授權(quán)頻譜，當(dāng)授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，次用戶必須撤出重新選擇合適的信道進(jìn)行切換，以完成通信，這樣對次用戶的服務(wù)質(zhì)量帶來很大影響。在認(rèn)知無線電的研究過程中，如何保證次用戶的服務(wù)質(zhì)量是一個(gè)十分重要的問題。在文獻(xiàn)[1]中目標(biāo)信道的選擇是由服務(wù)時(shí)間大小來決定。文獻(xiàn)[2]中通過共用同一頻段范圍內(nèi)來提高頻譜使用率等。目前的研究大都基于授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量，保證授權(quán)用戶在通信過程中不受干擾，很少有文章涉及如何對次用戶的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行保證[3]。然而，認(rèn)知無線電研究的就是在授權(quán)用戶不使用頻譜進(jìn)行通信時(shí)，次用戶“見縫插針”的使用頻譜進(jìn)行通信，提高頻譜的使用率。如果只能保證授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量，次用戶的服務(wù)質(zhì)量不能保證，次用戶在通信過程中就會(huì)不同的進(jìn)行頻譜切換，頻繁的切換會(huì)帶來較大的通信時(shí)延，甚至在通信未完成的情況下，次用戶就不得不中斷通信。針對這個(gè)問題，文中提出一種基于切換概率的頻譜匹配方案，該算法通過限制次用戶在通信過程中的切換概率，減少次用戶在通信過程中的切換次數(shù)，進(jìn)而保證次用戶通信過程中的服務(wù)質(zhì)量。

2 基于切換概率的頻譜空洞匹配方案

2.1 切換概率與系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量

為次用戶匹配一個(gè)最合適的頻譜空洞是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中保證服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)最重要問題。不同的頻譜空洞具體不同的特征，其傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)也不同，頻譜空洞與業(yè)務(wù)示意圖如圖1所示。

假定空洞時(shí)間是隨機(jī)變量，第j個(gè)頻譜空洞的空洞時(shí)間服從參數(shù)為的負(fù)指數(shù)分布，是指頻譜空洞的空閑時(shí)間，根據(jù)次用戶進(jìn)行頻譜切換的概念，當(dāng)需要的頻譜空洞的空閑時(shí)間不能滿足次用戶通信過程中所需的傳輸時(shí)間時(shí)則需要發(fā)生切換，公式2.1表示次用戶需要進(jìn)行頻譜切換的條件：

2.2 基于切換概率的頻譜空洞匹配算法

從公式2.4可以看出，使通信系統(tǒng)中存在的次用戶在通信過程中盡量都不發(fā)生切換，使系統(tǒng)的通信服務(wù)質(zhì)量最高，才是最優(yōu)的頻譜匹配方案。簡言之，通信系統(tǒng)的PQ最大才能保證服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)。然而，這是理想狀態(tài)，在現(xiàn)實(shí)通信情況下，授權(quán)用戶和次用戶的出現(xiàn)都是不固定的，頻譜空洞也是動(dòng)態(tài)隨機(jī)的，達(dá)到這一理想狀態(tài)是不服實(shí)際的，次用戶在通信過程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)頻譜切換。為了解決這一問題同時(shí)可以提高頻譜的使用效率，提出了一個(gè)新的頻譜空洞匹配算法，在給次用戶分配頻譜空洞時(shí)優(yōu)先為其分配一個(gè)與自身業(yè)務(wù)特性最匹配的頻譜空洞。

影響服務(wù)質(zhì)量的因素有很多，文中我們僅從次用戶通信過程中發(fā)生頻譜切換的角度進(jìn)行定義，定義如下：在保證次用戶i在通信過程中的服務(wù)質(zhì)量其他下，次用戶i在通信中可以發(fā)生的最小不切換概率為，在次用戶的通信中，如果不切換的概率不大于這個(gè)值，那么就可以保證次用戶的通信服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)定義，最小不切換概率為，那么所允許的次用戶通信過程中最大的切換概率便為1-，我們定義為目標(biāo)切換概率。

為了保證次用戶的通信服務(wù)質(zhì)量，在為次用戶選擇通信的頻譜空洞時(shí)，要保證次用戶在通信過程中的切換概率小于1-；考慮到無線頻譜資源的有效使用，在為次用戶匹配頻譜空洞時(shí)，我們優(yōu)先為其匹配一個(gè)切換概率與其所要求的目標(biāo)切換概率最相近的一個(gè)，如下面公式2.5所示。

2.3 算法描述

2.3.1 本章具體的算法流程圖

本章提出基于切換概率的頻譜空洞匹配算法，具體可以用圖2表示。

2.3.2 算法描述

該算法的執(zhí)行過程如下：

Step1，首先初始化保證次用戶業(yè)務(wù)通信服務(wù)質(zhì)量的。

Step2，然后計(jì)算次用戶目標(biāo)切換概率1-。

Step3，計(jì)算在不同的頻譜空洞上進(jìn)行通信時(shí)的實(shí)際切換概率。

Step4，按照，找出目標(biāo)頻譜空洞j。

Step5，將頻譜空洞j匹配給與之對應(yīng)的次用戶i。

Step6，完成匹配算法結(jié)束。

2.4 性能分析與仿真

假設(shè)有M個(gè)不同的頻譜空洞，Bj表示頻譜空洞j的帶寬，頻譜空洞的時(shí)間服從參數(shù)為負(fù)指數(shù)分布。Li表示服務(wù)數(shù)據(jù)量的總數(shù)，Treq，i表示次用戶需要的通信服務(wù)時(shí)間。次用戶在通信過程中，如果授權(quán)用戶出現(xiàn)了，此時(shí)次用戶需要重新尋找合適的頻譜空洞進(jìn)行切換，以便完成后續(xù)通信。假定參數(shù)服從[10，300]的均勻分布，服從[1/2000，1/200]的均勻分布。

由圖3可見，次用戶越多，PQ越小，系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量越差，發(fā)生頻譜切換的次用戶越多，次用戶的服務(wù)質(zhì)量越差；如果保持次用戶數(shù)保持不變，次用戶數(shù)不管是5個(gè)還是20個(gè)，文中所提算法的PQ都比隨機(jī)算法得值更優(yōu)。因此，文中算法可以更好的保證次用戶的通信服務(wù)質(zhì)量。

從圖4與5可以看出：隨著次用戶數(shù)的增加，頻譜空洞不管多少，次用戶發(fā)生切換的次數(shù)都相應(yīng)增加。相比隨機(jī)匹配算法，使用文中所提算法，發(fā)生切換的次數(shù)明顯減少，提高了系統(tǒng)的通信性能，次用戶的通信服務(wù)質(zhì)量也得到了進(jìn)一步保證。

3 結(jié)語

當(dāng)授權(quán)用戶導(dǎo)致次用戶需要發(fā)生頻譜切換時(shí)，文中兼顧無線頻譜資源的使用率及次用戶的通信服務(wù)質(zhì)量，提出了一種基于切換概率的頻譜空洞匹配算法。并且對該方案進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明使用該方案可以有效地保證次用戶的服務(wù)質(zhì)量，減少發(fā)生頻譜切換的次數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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