一种基于轮询的认知无线网络频谱分配机制及性能分析.docVIP

第 37 卷 第 1 期 2013 年 1 月 燕山大学学报 Journal of Yanshan University Vol. 37 No. 1 Jan. 2013 文章编号： 一种基于轮询的认知无线网络频谱分配机制及性能分析 金顺福*，徐德娜，赵 媛 （燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004） 摘 要：在认知无线网络中，认知用户机会式地占有授权用户暂时不使用的频谱，从而提高频谱的利用率。在 采用集中式频谱分配机制时，认知用户对空闲频谱的使用由中央控制器协调和管理。由于授权用户对频谱的使 用具有抢占优先权，使得认知用户的数据传输可能被中断。考虑认知用户对空闲频谱使用的公平性，提出一种 基于纯限量轮询策略的频谱分配机制，并建立具有传输中断的离散时间纯限量多重休假排队模型。使用再生循 环法，对所提出的频谱分配机制进行性能分析，给出平均响应时间、吞吐量、频谱切换率??频谱有效利用率的 表达式。通过数值实验和系统仿真，分析系统性能指标对系统负载的依赖关系，并给出授权用户业务量的优化 方案。 关键词：认知无线网络；频谱分配；抢占优先权；纯限量轮询策略；中断服务；性能指标 中图分类号： 文献标识码： ： 0 引言 题。 近年来，有一些学者运用博弈理论研究了频谱 分配策略，并对其进行了性能分析。文献 [4] 综 合考虑不确定带宽和空间重利用分析了认知网络 的价格竞争体系。通过寻找纳什均衡点，给出了有 效的对称纳什均衡。文献 [5] 综合考虑主用户的 最大收益以及次用户收益受到带宽的影响，提出了 一种改进的认知无线电频谱共享模型。 在现代无线电通信网络中，频谱是非常宝贵且 有限的资源。在目前普遍采用的静态频谱分配方案 中，一个频道一般仅供一个无线电通信系统独立使 用，这种静态的无线电频谱管理方式简单，而且可 以有效地避免不同无线电通信系统间的相互干扰。 然而，大量研究报告 [1] 表明，采用静态频谱分配 方案时，非授权频谱被频繁占有，而授权频谱只是 偶尔使用，其使用率通常仅为 6%左右。为了平衡 频谱分配，同时提高频谱利用率，在认知无线电 [2] 技术中，提出了一种动态频谱分配方案。 还有一些学者运用排队理论研究了频谱分配 策略及系统性能。文献 [6] 提出了一种基于帧的 集中式频谱调度策略。将一个标记用户的状态描述 为离散时间马尔可夫链，对认知用户的平均吞吐量 及阻塞率等性能进行了分析。文献 [7] 假设认知 网络中有一个授权用户和多个不同优先级的认知 用户共享频谱资源，提出了基于 抢占优先排队规 则的机会式频谱接入模型，并分析了授权用户和认 知用户的服务质量（QoS，Quality of Service）。文 献 [8] 针对延迟敏感的网络，提出了一种自适应 的算法，将可以满足延迟限制的信道分配给相应的 在认知无线网络中，使用授权频段的用户称为 授权用户，不拥有任何频段而只能利用空闲频谱进 行通信的用户称为认知用户。授权用户对频谱的使 用具有抢占优先权，在不对授权用户造成干扰的条 件下，允许认知用户机会式的接入分配给授权用户 的频谱 [3]。为了减少认知用户对授权用户的干扰， 在试图传输数据包前，认知用户必须先进行频谱感 知。只有检测出频谱是空闲的时候，认知用户才可 以使用该频谱进行数据传输。如何为认知用户分配 可用频谱，是能否有效地提高频谱利用率的关键问 认知用户。通过建立 / /1抢占优先级排队模型， 分析了单一认知用户和多个授权用户情况下的多 收稿日期：2012-06-06 基金项目：河北省自然科学基金资助项目（F2012203093） 作者简介：*金顺福（1966-），女，内蒙古满洲里人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为计算机系统及网络的性能分析与性 能优化等，Email： HYPERLINK mailto:jsf@ysu.edu.cn jsf@ysu.edu.cn。 ， ， 问的队列有顾客存在，则最多服务一个顾客，服务 完成（数据包正常传输完成，或者因授权用户的到 达而中止传输）后，服务台离开此队列；若该队列 没有等待的顾客，则服务台立即离开此队列。服务 台离开一个标记用户后，经过一个长度为 的队列 切换时间，开始为下一个认知用户传输数据。从服 务台离开标记用户时刻开始，直到再次访问该标记 用户为止的时间段抽象为一个休假期 。从服务台 访问标记用户时刻开始，直到离开该标记用户为止 的时间段抽象为一个服务期 。如果一次休假结束 时系统中没有数据包需要传输，就接续另一次休 假，为简单起见，假定两次休假期之间有一个长度 为零的服务期。因此，本文提出的基于纯限量轮询 策略的频谱分配机制可以抽象为一个具有传输中 断的离散时间纯限量多重休假排队模型。 本文从保证不同认知用户对信道访问