基于认知无线电网络的动态频谱分配

王中伟，贾振红，覃锡忠，夏晓燕，邓 磊



基于认知无线电网络的动态频谱分配

王中伟1，贾振红1，覃锡忠1，夏晓燕2，邓 磊2

(1. 新疆大学信息科学与工程学院，乌鲁木齐 830046；2. 中国移动通信集团新疆有限公司，乌鲁木齐 830063)

针对无线通信网络中频谱日益紧缺的问题，对基于认知无线电网络的动态频谱分配技术进行研究，提出一种保护信道和排队相结合的动态信道分配方案。该方案在不影响主用户业务的情况下，为因主用户到达而切换的次用户预留保护信道，对新到达的次用户采用排队策略。如果系统中主用户或者次用户因服务完毕而离开时，队列中的次用户则可按一定的次序使用空闲可用的子信道。仿真结果表明，与仅预留保护信道和仅使用队列缓冲器的方案相比，该方案能有效降低系统的总体失败率，提高分配性能，且对次用户的平均吞吐量和平均延迟影响较小。

认知无线电网络；动态频谱接入；拥塞率；信道预留；马尔科夫模型

1 概述

在无线通信系统中，随着日益增长的通信需求，频谱资源紧缺的问题越来越严重。近年来研究发现，基于授权的固定频谱分配方式导致频谱利用率极低，仅为5%~ 10%[1]，但是某些未授权频段(如手机通信频段)因为竞争而拥挤不堪。因此，探索新的频谱资源分配方案势在必行。

认知无线电[2]是一个智能的无线通信系统，具有在不影响授权用户的前提下智能地利用空闲频谱的能力，提高频谱的利用率，因此，基于认知无线电网络的动态频谱接入[3-4]被认为是解决上述问题的有效方案。在该方案中，获得频段授权的用户称为主用户，未获得的称为次用户，主用户对频谱具有优先权，可随时使用频谱。同时主用户可将空闲频段出让给或租赁给次用户，使得次用户可共享使用授权频段。目前，国内外很多学者都致力于动态频谱分配的研究：文献[5]提出了一种连续时间的马尔科夫链模型去预测未授权频段的行为；文献[6]提出了一种评价主用户和次用户堵塞率的理论方法；文献[7]为降低次用户的拥塞率，采取为新到达的次用户排队策略；文献[8]在为新到达的次用户排队的基础上，考虑了排队对次用户造成的影响；文献[9]为减少次用户的被迫终止率，采用了为因被抢占而切换失败的次用户排队的策略；文献[10-11]研究了为切换的次用户预留信道的马尔科夫模型，提高了系统的吞吐量；文献[12]为最大化地提高频谱的利用率，中央控制器为新到达的次用户尽可能多地分配频谱；文献[13]考虑了不同类型的次用户的优先级问题；文献[14]考虑了次用户的服务质量(Quality of Service, QoS)问题。但以上研究都没有考虑将切换保护信道和排队相结合的问题。

本文在上述工作的基础上，提出在无线认知网络中预留切换保护信道和为新到达的次用户排队相结合的信道分配方案。该方案为因主用户到达而被抢占的需要切换的次用户预留保护信道，以降低次用户的被迫终止率；为抑制新到达的次用户拥塞率恶化现象，采取为新到达的次用户排队的策略。

2 系统模型及性能分析

2.1 系统模型

假设在无线认知网络中，有个已经被授权的信道，而每个信道又可被进一步分为个子信道，主用户可以使用个信道中任一个信道，次用户可以使用个信道中的任何一个，但如果某授权信道被使用，那么该信道划分的子信道不能被次用户使用。系统模型如图1所示。

图1 系统模型

从个信道中预留个信道为切换的次用户使用，为新到达的次用户采用排队策略，其容量为。在本文中，采用中央控制式的动态信道接入控制方案，主要考虑次用户性能的变化。设主用户和次用户的到达都符合互为独立的泊松分布，到达率分别为和；服务时长都符合互为独立的负指数分布，均值分别为1/μ和1/μ。对于该过程，可以用一个三维连续时间Markov过程来描述。

使用状态向量(,,)表示该过程的某一状态，其中，为系统中的次用户数；为主用户数；为队列中次用户数。则全部状态集：

(1)当次用户到达时，若0≤+<，则在空闲的子信道中为新到达的次用户分配一个信道；若≤+≤, 0≤<，则新到达的次用户在队列中等待；若≤+≤,=，则系统拒绝接纳该次用户，该用户被堵塞。

(2)当次用户服务完成离开系统时，若0≤1+<, 0<≤，则分配释放的子信道给正在排队的次用户使用；若≤1+≤, 0<≤，则排队的次用户继续在队列中等候。

(3)当主用户到达时，若0≤+≤(1)，则在个授权信道中，任取一个空闲授权信道给该主用户，如果该信道划分的子信道中有正在服务的次用户，把次用户切换到其他空闲可用的子信道上；若(1)<+≤,<，则任取一个空闲授权信道给该主用户，把该信道划分的子信道中正在服务的部分次用户切换到其他空闲的子信道中，剩下的(+(1))个次用户被终止；若=，则该主用户被堵塞。

(4)当主用户服务完成离开系统时，若0<≤，则有min(,)个次用户从队列中删除，使用空闲可用的子信道。

2.2 性能分析

由于为切换的次用户预留的信道不能很多，因此本文设预留信道数≤，对于每个状态，可以采用的是流量守恒原则，令流入速率=流出速率，即可写出每个稳态时的平衡方程。

(1)当+≤(1),=0时，状态转移图如图2所示。

图2 i+jN≤N(M–1), k=0时的状态转移图

(2)当(1)<+≤,=0时，状态转移图如图3所示。

(3)当+=, 0≤≤时，状态转移图如图4 所示。

(4)当–<+<, 0≤≤时，状态转移图如图5所示。

(5)当+=, 0≤≤时，状态转移图如图6所示。

利用正则性条件：

即可通过求解线性方程得出各个状态的稳态解。当+≥和=时，次用户被堵塞；当–1<+≤时，的被迫终止数是(+–(–1))。那么次用户的拥塞率P和被迫终止率P分别为：

当次用户被堵塞或者被迫终止时，次用户的服务没有被完成；而次用户的吞吐量是由次用户的不能完成率和次用户的服务完成所持续的时间决定的。次用户的没有完成概率P和吞吐量为：

平均队列长度和队列拥塞的可能性p为：

队列中次用户的平均等待时延为：

3 仿真结果与分析

本文采用Matlab进行仿真，系统模型如图1所示。=3，=5，次用户的到达率为2个/s，平均服务时间1/μ为0.5 s；主用户的平均服务时间1/μ为1 s，主用户每秒的到达率为0.3~1.0，本文将分析比较在不同的预留信道数和不同的的队列容量的情况下次用户的性能。

主用户到达率与次用户被迫终止率以及拥塞率之间的关系如图7和图8所示。

图7 主用户到达率与次用户被迫终止率之间的关系

图8 主用户到达率与次用户拥塞率之间的关系

可以看出，当预留信道数相同时，随着队列缓冲器容量的增大，次用户拥塞率降低，被迫终止率增加，这是由于队列缓冲器虽然对新到达的次用户造成一定的时延，但可以使新到达的次用户不立即堵塞，降低了次用户的拥塞率；但从缓冲器中释放的次用户，可能因主用户的到达，使用的子信道被抢占，没有空闲可用的子信道被迫终止，被迫终止率增加。队列缓冲器容量相同时，随着预留信道数的增加，被迫终止率降低，堵塞率增加，这是由于为切换的次用户预留信道，新到达的次用户可以使用的子信道数减少，导致次用户的被迫终止率下降，拥塞率增加。

主用户到达率与次用户不能完成率之间的关系如图9所示。

图9 主用户到达率与次用户不能完成率之间的关系

可以看出，本文采用的预留信道和排队相结合的信道分配方案的性能是最优的，与仅预留信道方案和仅使用队列缓冲器相比，次用户的不能完成率有了明显的下降。

主用户到达率与次用户平均吞吐量之间的关系如图10所示。

图10 主用户到达率与次用户平均吞吐量之间的关系

可以看出，队列缓冲器容量越大，预留的信道数越少，次用户的平均吞吐量越大，但本文方案(=3,=5)中，对次用户平均吞吐量影响很小。

主用户到达率与次用户平均延迟之间的关系如图11所示。

图11 主用户到达率与次用户平均延迟之间的关系

可以看出，次用户的平均延迟与队列的容量和预留的信道数有关，但由于队列长度较小，次用户的平均延迟很小，最大延迟为0.163s。

4 结束语

本文提出一种保护信道和排队相结合的信道分配策略。该策略对新到达的次用户和切换的次用户采用不同的处理措施：为切换的次用户预留信道，虽然增加了次用户的拥塞率，但降低了次用户的被迫终止率；为新到达的次用户采用排队策略，当新的次用户到达而系统中没有可用的子信道时，可以在队列中等待一段时间，如果有用户离开，队列中的次用户可以按照一定的次序接受服务，防止了次用户的拥塞率恶化现象。实验结果表明，在对次用户的拥塞率和被迫终止率影响不大的情况下，该策略有效地降低了系统的总体失败率，但本文并没有考虑次用户的优先级问题，次用户的优先级问题是下一步的研究方向。

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编辑 金胡考

Dynamic Spectrum Allocation Based on Cognitive Radio Network

WANG Zhong-wei1, JIA Zhen-hong1, QIN Xi-zhong1, XIA Xiao-yan2, DENG Lei2

(1. School of Information Science and Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2. Subsidiary Company of China Mobile in Xinjiang, Urumqi 830063, China)

Aiming at the problem of the growing contradiction between demand and supply of spectrum in wireless communications, this paper does further research on dynamic spectrum assignment based on Cognitive Radio Network(CRN), and presents a dynamic channel allocation strategy combining guard channel with queuing. In the case without affecting primary user’s services, because of arrival of primary user, the scheme provides reserved channels for handover secondary users, and queuing strategy is adopted for new arrival secondary users. When there is departure of ongoing primary user or secondary user, secondary users in queue can use idle available sub-channels according to priority-ranked. Compared with only reserving guard channel and only using queue buffer, the strategy has a small impact on secondary user average throughout and average delaying, and effectively reduces overall system failure rate and improves the performance of the system.

Cognitive Radio Network(CRN); dynamic spectrum access; blocking probability; channel reservation; Markov model

1000-3428(2014)03-0127-05

A

TP393

中国移动新疆分公司研究发展基金资助项目(xjm2011-1)。

王中伟(1986－)，男，硕士研究生，主研方向：移动通信，无线认知网络；贾振红(通讯作者)，教授、博士生导师；覃锡忠，副教授；夏晓燕、邓 磊，高级工程师。

2012-11-30

2013-04-17 E-mail：zhongwei91862121@163.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.026