非实时业务下认知网络的频谱共享

齐 博,张陆勇,张秋月,赵小川

(1.北京邮电大学,北京100876;

2.中国航天科工集团第三十三研究所,北京100074)

0 引言

认知网络中的频谱共享问题一直是认知无线电理论研究的热点问题之一。目前已经提出了许多用于分析频谱共享的方法。博弈论[1]是用来对决策者的一些互有的可能冲突的连续的特殊行为进行建模求解的学科。应用博弈论方法,可以有效地解决分布式认知网络中各非授权用户的最优频谱分配和功率控制问题。拍卖理论[2]可以用来获得频谱的最优定价,从而使认知网络中各个非授权用户的总收益最大化。图着色理论[3]考虑非授权用户之间的干扰和约束条件,实现其不同地理位置上的频率复用。这些方法已经可以对认知网络得出较高效的频谱共享策略,但其对用户的QoS并没有进行充分的考虑。虽然在有些论文中提到将用户业务分为实时业务(RT)和非实时业务(NRT)[4],并给实时业务以绝对优先级来保证系统的低掉话率,但是并没有给出在某种特定业务下应采取的专用频谱共享算法。我们知道,不同种类的业务具有不同的QoS,如实时业务(如MPEG)对时延敏感,以恒定速率比特流传送,而非实时业务(如FTP)对时延的要求很低,却希望以最大的速率完成传输。所以,根据特定的业务,应该有特定的频谱策略与之相适应,从而可以进一步提高频谱效率。

1 NRT-dedicate频谱共享算法

本文对认知网络非授权用户非实时业务(FTP)下的频谱共享策略进行了研究,引入自适应传输速率,提出了一种非实时业务专用的频谱共享算法——NRT-dedicate频谱共享算法。

1.1 系统模型

考虑在一个基于OFDMA的认知网络中,有M个授权用户基站,将网络分为M个小区,各小区中可用频谱为Ki个子信道,i_=1,2,…,M,并且各个子信道之间正交,互相不造成干扰,N个非授权用户位于这M个小区中,如图1所示。非授权用户向所在小区的授权用户基站请求发起FTP业务,准备传输的比特数分别为ni,i=1,2,…,N。

图1 认知网络系统模型

1.2 自适应传输速率

由于各非授权用户的位置不同,他们的无线环境也有所不同,位于小区边缘的用户,因为受到相邻小区的干扰,无线频谱质量较小区中心差,频谱效率低。因此,采用自适应传输速率配置方案,使速率与信道频谱质量、可用带宽相适应,可以进一步提高频谱效率,提升系统的总收益。

为了实现自适应传输速率,为非授权用户定义自适应速率格式组合(r,W,Q)和自适应速率格式组合集S。S为系统可实现的(r,W,Q)集合;r为非授权用户的传输速率;W为非授权用户所占的信道数;Q为非授权用户和其所在授权用户基站之间信道的频谱质量。

因为自由空间信号强度与传播距离的平方成反比,信道质量Q主要考虑相邻小区授权用户基站的干扰,所以可以定义:

式中,l为相邻小区基站和非授权用户小区基站之间的距离;d为用户到小区基站的距离;g为相邻基站的干扰强度。

系统根据实际可获得的频谱质量Qp和可用信道数Wp为非授权用户选择速率r最高的(r,W,Q),从而实现了速率对无线环境和资源的自适应。

1.3 NRT-dedicate频谱共享算法

非授权用户和基站连接需要建立控制信道,而长时间的控制信道会消耗大量的系统资源。因此,可以结合自适应传输速率,设计一种频谱共享算法,减少用户在系统中非授权用户的平均驻留时间,降低控制信道资源的消耗,提高系统的总收益。

系统中用户i的驻留时间ti可以定义为:

式中,cti为用户i在系统中的通信时间,

wti为用户i在系统中的等待时间,

φ(◦)为用户使用频谱的优先级函数。

把式(2)和式(3)代入式(1)得:

可得系统中非授权用户的平均驻留时间为:

因此可得系统中的最优优先级函数φbest(◦)为:

因为i仅为用户序号,所以可以对用户重新排序,用序号k代替,k满足φ(k)为k的单调增函数。

用k替代i代入式(4)得:

取φ(i)=,其中r为满足自适应速率格

besti式组合(ri,Wi,Qi)的可实现集S的最大值。

系统在对用户进行频谱分配时,优先选择φbest(i)相对较高的用户,给其分配尽可能多的频谱,使其可以在最高速率下传输,已达到减小系统中非授权用户的平均驻留时间的目的。

2 系统收益

定义非授权用户在网络中传输有用信息的吞吐量为用户在网络中的收益,则非授权用户i的收益Pi可表示为:

式中,nti为用户i传输的总比特数;ti为用户i在系统中的驻留时间;c为控制信道单位时间所占的比特数。

由此,可以得到系统每个用户的平均收益Pave,

将式(5)带入式(6)得:

上述分析表明,系统中非授权用户的平均驻留时间tave变短可以提高系统总收益。

3 仿真与分析

考虑在一个100*100的区域中,存在4个授权户基站,将区域分成4个小区,每小区有5个可用信道,有N个非授权用户随机分布于区域中,初始位置坐标服从均匀分布。非授权用户以1的速度沿着随机的一个方向在区域中移动。N个非授权用户在各自小区发起FTP业务,所要发送的比特数ni服从正态分布N(10 000,4 000)。非授权用户基本速率为r0=100,使用一个子信道的频谱。仿真对(r,W,Q)模型进行了简化,设定Q的门限值Qth,当Q＞Qth时,判定为较好的无线环境,系统允许非授权用户以最多4个信道4*r0的速率进行传输;否则,系统只允许非授权用户最多使用2个信道2*r0的速率通信。取相邻小区干扰强度为10,2个授权用户基站之间的距离l=50非授权用户与基站之间的门限距离dth=15,可计算得Qth=122.5。取控制信道单位时间占用比特数c=1。

非授权用户的平均驻留时间曲线如图2所示。

图2 非授权用平均驻留时间曲线

随着用户数的增加,非授权用户的平均驻留时间也近似线性地增长,这是因为系统的频谱资源有限,用户数的增加必然导致个用户平均排队等候时间增加,但不必担心优先级低的用户会因为等待时间过长而掉话,因为NRT业务QoS特性决定其能够容忍很大的时延。可以看到,NRT-dedicate频谱共享算法能够获得比通用业务的频谱共享算法更低的平均驻留时间,这与分析的相符,证明NRT-dedicate算法可以有效地改善非授权用户在系统中驻留时间过长的问题,节省了相关的控制信道资源的开销。

非授权用户平均收益的分析如图3所示。

图3 非授权用户平均收益曲线

随着用户数的增加,非授权用户的平均收益下降,这是因为非授权用户的平均等待时间随着用户数的增加而增加,对控制信道资源的额外开销也随之增加,从而使用户的平均收益下降。因为非授权用户随机分布于网络中,当用户较少时,用户可能会集中于某一两个小区中,导致系统中的频谱效率降低,使用户不能获得良好的收益。所以图3中,8用户时非授权用户的平均收益低于12用户时的情况,随着用户数的进一步增加,这个问题便消失了。可以从图中看出,NRT-dedicate频谱共享算法的非授权用户平均收益高于通用的频谱共享算法,这证明在非实时业务(FTP)情况下,NRT-dedicate频谱共享算可以获得更高的频谱利用率,提升网络的性能。

4 结束语

本文对认知网络中非实时业务密集的情况下的频谱共享策略进行了研究,考虑非实时业务的特性,结合自适应速率传输,提出了一种适用于这种情况的频谱共享策略NRT-dedicate频谱共享算法,并对其性能进行了仿真和分析。仿真结果表明,NRT-dedicate频谱共享算法可以有效地减少非授权用户在系统中的平均驻留时间,增加用户平均收益,提高网络频谱效率。

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