（通信与信息系统专业论文）认知无线电网络中自适应带宽分配机制的研究.pdf

摘要 认知无线电网络中自适应带宽分配机制的研究 摘要 本研究课题受到了国家自然科学基金基于时域频谱利用概率分 布曲线拟合的频谱检测研究( 编号：6 0 7 7 2 1 1 0 ) ，华为科技基金基 于授权用户频谱利用统计规律的认知m a c 机制与算法研究和北京 邮电大学校级基金认知无线电系统频谱检测与机会接入研究资助。 认知无线电c r ( c o g n i t i v er a d i o ) 作为一种革命性智能频谱共享 技术，近两年受到了人们的广泛关注。应用这项技术的认知用户能自 动感知所处的频谱环境，实现对己分配给授权用户但未被占用频谱空 穴的接入，从而可显著提高频谱的使用率。然而目前认知无线电网络 c r n ( c o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ) l 拘频谱分配算法中c r 用户都是静态 地占用固定带宽，若能使c r 用户动态地调整占用带宽，则可以进一 步提高频谱的使用率。本文主要研究认知无线电网络频谱分配技术中 的自适应带宽分配机制。 本文首先分析了课题的研究背景，简要地说明了认知无线电的定 义、功能和标准化进展，较细致地阐述了认知无线电的频谱分配技术 的分配模型和算法；其次在第三和第四章节中详细论述了本文完成的 主要工作，主要就认知无线电网络频谱分配技术中自适应带宽分配机 制及其仿真设计方案进行了深入的研究。 在第三章中针对c r 用户静态占用带宽的问题研究了认知无线电 网络中自适应带宽分配机制。文中基于排队论提出基于强制中断机制 的自适应带宽分配机制( a b f l m ) 和基于切换请求排队机制的自适应 带宽分配机带i j ( a b h q m ) 。理论分析及仿真结果表明，自适应带宽分 配机制可有效地提高系统的带宽利用率。 在第四章以a b f t m 为例，给出一种采用可变仿真步长的事件调 度法对自适应带宽分配机制进行仿真的方案。仿真结果及误差分析证 明利用事件调度法对自适应带宽分配机制进行仿真是可行的。 关键词：认知无线电网络频谱分配自适应带宽分配排队论拟生灭 过程事件调度法 北京邮电大学硕l 学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho fa d a p t i v eb a n d w i d t h a l l o c a t i o nm e c h a n i s mi nc o g n i t i v er a d i o n e t w o r k a b s t r a c t t h er e s e a r c ha r e s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n “r e s e a r c ho n s p e c t r u m d e t e c t i o nb a s e do n s p e c t r u m u t i l i z a t i o n s t a t i s t i c ( n o 6 0 7 7 2 1 1 0 ) ，h u a w e it e c h n o l o g yf o u n d a t i o n “r e s e a r c ha b o u tc o g n i t i v er a d i oi nm a c l a y e r a n df i e l df o u n d a t i o no f b e i j i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s a sar e v o l u t i o n a r ys m a r ts p e c t r u ms h a r i n gt e c h n o l o g y , c rr e c e i v e s m o r ea n dm o r ei n t e r e s tw i t h i nt h e s ey e a r s i nt h ec r n c ru s e r sc a n a u t o m a t i c a l l ys e n s et h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ，a n dt h e na c c e s st h ec r n w i t h i nt h es p e c t r u mw h i c hh a db e e na l l o c a t e dt ot h el i c e n s eu s e r sb u tn o t o c c u p i e dr i g h tn o w c rc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n b u tc ru s e r sa l w a y so c c u p yf i x e db a n d w i d t hi nt h er e s e a r c ho ns p e c t r u m a l l o c a t i o n a l g o r i t h m i f c ru s e r sc o u l d a d a p t i v e l ya d j u s t t h e i r t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h ，t h es p e c t r u mu t i l i z a t i o nw o u l db ee f f e c t i v e l y i m p r o v e d t h ea d a p t i v eb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s mi nt h es p e c t r u m a l l o c a t i o na l g o r i t h mi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ，n l i sp a p e rd e s c r i b e dt h es u b j e c tb a c k g r o u n d ，b r i e f l yi n t r o d u c e dt h e b a s i cc o n c e p t sa n ds t a n d a r d i z a t i o ns t a t u s ，a n dp a r t i c u l a r l ya n a l y z e dt h e s p e c t r u ma l l o c a t i o nt y p e sa n da l g o r i t h m sf i r s t l y i nt h en e x tt h i r da n d f o u r t hc h a p t e r s ，t h e a d a p t i v eb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s ma n di t s s i m u l a t i o nm e t h o di nt h es p e c t r u ma l l o c a t i o nt e c h n o l o g yi nc r nw e r e s t u d i e d i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ea d a p t i v eb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s m s w e r er e s e a r c h e da c c o r d i n gt of i x e db a n d w i d t ha l l o c a t i o np r o b l e m t h e a d a p t i v ea l l o c a t i o nm e c h a n i s mb a s e do nf o r c e dt e r m i n a t i o nm e c h a n i s m a n dt h e a d a p t i v e a l l o c a t i o nm e c h a n i s mb a s e do nh a n d o f fq u e u i n g m e c h a n i s mw e r ep r o p o s e d t h e o r e t i c a la n , - 1 y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o wt h a t t h ea d a p t i v eb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s m se f f e c t i v e l yi m p r o v et h e c h a n n e lu t i l i z a t i o no ft h es y s t e m 1 i 北京邮电人学硕上学位论文 i nt h ef o u r t hc h a p t e r , as i m u l a t i o nm e t h o do ft h ea d a p t i v eb a n d w i d t h a l l o c a t i o nm e c h a n i s mi sp r o p o s e d t h i ss i m u l a t i o nm e t h o du s e st h ee v e n t s c h e d u l i n gw h i c hi sv a r i a b l es t e p t h es i m u l a t i o nr e s u l ta n de r r o ra n a l y s i s s h o wt h a tt h i ss i m u l a t i o nm e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，s p e c t r u ma l l o c a t i o n ，a d a p t i v e b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，q u e u i n gt h e o r y , q u a s ib i r t ha n d d e a t hp r o c e s s e s ，e v e n ts c h e d u l i n g i i i 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文缩略语 英文缩写 a b 硎 a b h q m a s r b d c d m a c r d a 腿 d s a d v b - 1 e 2 r f c c f i m g q b d g s m h s d _ i a h q m i e e e i s m b a n d r r u m 渔c m i m o n r n r t o f c o m o f d m q b d q o s s d r s d i t f s i n r s n r u m t s u w b w d g a w r a n w w l 球 x g 英文全拼 a d a p t a t i o n m e c h a n i s m a d a p t a t i o n m e c h a n i s m 缩略语 b a s e do nf o r c e dt e r m i n a t i o n b a s e do nh a n d o f f q u e u i n g a d a p t i v es p e c t r u mr a d i o b i r t h a n d d e a t hp r o c e s s e s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o g n i t i v er a d i o d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n d i 百t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g _ t e r r e s t r i a l e n dt oe n dr e c o n f i g u r a b i l i t y f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n f o r c e dt e r m i n a t i o nm e c h a n i s m g e n e r a lq b d g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h i g i ls p e e dd o w n l i n kp a c k a g ea c c e s s h a n d o f fq u e u i n gm e c h a n i s m i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n dm e d i c a lb a n d i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t n a t i o n a lr a d i on e t w o r kr e s e a r c ht e s t e d 0 f f i c eo fc o m m u n i c a t i o n s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g q u a s i - b i a h a n d d e a t hp r o c e s s e s q u a l i t yo fs e r v i c e s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s o f t w a r ed e f i n e dr a d i of o r u m s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m u l t r a - w i d eb a n d w 色i 曲t e dd i s t r i b u t e dg r e e d ya l g o r i t h m w i r e l e s sr e g i 【o n a la r e an e t w o r k w i r e l e s sw o r i dr e s e a r c hf o r u m n e x tg e n e r a t i o n 第4 7 页共5 3 页 中文 基于c r 用户强制中断机制的 自适应带宽分配机制 基于c r 用户切换请求排队机 制的自适应带宽分配机制 自适应频谱无线电 生灭过程 码分多址 认知无线电 美国国防高级研究计划局 动态频谱分配 数字电视地面广播 端剑端重配置 联邦通信委员会 强制中断机制 广义拟生灭过程 移动通信全球系统 高速f 行分组接入 切换请求排队机制 电气和电子： 程师学会 工业、科学和医疗频段 国际电信联盟 媒体接入控制 多输入多输出 国家无线电网络研究实验床 通信办公室 正交频分复用 拟生灭过程 服务质量 软件定义无线电 软件定义无线电论坛 信干噪比 信噪比 全球移动通信系统 超宽带 加权分布贪婪算法 无线区域网络 无线世界研究论坛 下一代无线通信计划 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：鲨2 ：兰：三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：二一 n ) ，每个信道都可能为 任一用户所使用，即为全体用户所共用，先到先用，且系统最多能够保障个 用户进行通信。但在认知无线电系统中授权用户具有绝对优先权，授权用户和 c r 用户主从式动态接入信道，这种关系体现于c r 用户能够机会接入到授权用 户未占用的空闲信道中；而授权用户接入信道时并不考虑c r 用户是否存在，当 授权用户再次出现时，c r 用户要及时退出正在使用的信道，避免和授权用户发 生碰撞。 从以上的介绍中我们可以看出，基于图论的频谱分配模型、基于博弈论的频 谱分配模型和基于排队论的频谱分配模型充分利用了经典数学和微观经济学理 论，为认知无线电中的频谱分配提出了解决问题的框架，基于此三类模型的具体 算法也得到了广泛的研究。 2 3 2 2 频谱分配的算法 1 、基于图论的频谱分配算法 现有的基于图论的频谱分配算法大都基于图着色理论。w a n g 和l i u 提出了 以图着色理论来对认知无线电频谱分配问题进行建模并提出了近似最优化的频 谱分配算法【2 6 j ，p e n g 和z h e n g 等人相继提出了标签机制，可区分用户的优先级， 相对于经典的频谱分配算法得到5 0 的性能改善【2 - 2 8 j ；c a o 等人提出的本地讨价 还价( l o c a lb a r g a i n i n g ) 算法，采用公平的业务保证机制，可提供文献【2 7 】和【2 8 】 中相近的性能，但明显降低了系统的复杂性【2 引。虽然这些方法都取得了一些进 步，但这些基于合作的方法为了共享相邻用户频繁交换的协作信息，需要公共的 协调协议和通信链路，必然会增加系统的复杂性和额外开销。这对于能量受限的 通信系统，如a d h o c 、无线传感器网络等并不适用。针对以上问题，z h e n g 等人 提出了基于设备的频谱管理( 相对于基于政策的频谱管理) 方案p o j 。其基本思 路是用户通过观察本地干扰码型，依据预先设定的适用于不同场景的规则独立决 策选择信道，从而使系统的性能、复杂度和通信成本取得折衷，因此该方法也称 为基于规则的方法。实验结果表明相对于合作方法，这种基于规则的方法可在提 供相同通信性能的前提下将通信成本降低3 4 倍。 2 、基于博弈论的频谱分配算法 现有的基于博弈论的频谱分配算法按c r 用户对频谱的占用方式可以分为两 类，即共用式频谱分配算法和独占式频谱分配算法【3 1 3 甜。 共用式频谱分配是指多个c r 用户之间以干扰避免或时分复用的方式来分配 频谱资源。由于多个c r 用户共同占用同一段频谱，所以不可避免的要产生同频 第1 3 页共5 3 页 北京邮电大学硕士学位论文第二章相关研究综述 干扰。如何减小这种干扰，最大化c r 用户的收益是这种情况下的主要问题1 3 3 1 。 针对不同的频谱共享应用场景，现有的研究分别提出了不同的模型和算法。若授 权用户只有少量的频谱资源可提供给c r 用户机会占用时，多个c r 用户为了获 得有限的频谱资源会产生竞争。文献 3 4 1 提出两种古诺博弈：完全信息动态古诺 博弈和非完全信息静态古诺博弈。若不需考虑c r 用户对授权用户的干扰影响， 只考虑c r 用户之间的干扰，文献【3 5 】把c r 用户的频谱分配抽象为势力场博弈 模型，以保证频谱分配结果的收敛性。势力场博弈适用于效用函数中考虑合作的 情形，其收敛速度快，但当效用函数只考虑自身因素时势力场博弈将不再适用。 针对这种情形可以利用非遗憾学习算法来解决【3 5 】。针对如何从多重纳什均衡中 挑选出一个最优解，来改善算法的性能，文献 3 6 】提出基于相关均衡的博弈论算 法。利用相关均衡的概念，文献 3 6 1 从避免c r 之间竞争频谱产生冲撞的角度提 出一种以最大化c r 用户在所有信道上的总传输速率为目标的效用函数。仿真结 果表明，应用相关均衡可以比纳什均衡得到5 1 5 的频谱利用率提升【州。 独占式算法中由于各个用户独占频谱，用户间无需考虑同频干扰。这时c r 用户间的竞争单纯表现在频谱的争用上。设网络中存在多个出租频谱的授权用户 和多个租赁频谱的c r 用户，授权用户通过拍卖出租未使用的频谱，c r 用户则 通过竞价来获得频谱，这种关系可以应用博弈论中的双向拍卖理论进行建模。由 于存在多个授权用户和多个c r 用户，则不但c r 之间存在竞争，授权用户之间 也存在竞争阳。双向拍卖模型中，由于用户需要根据其他用户的报价来选择自 己的报价，用户之间的信息交互频繁，而在实际的c r n 中因为频谱状态的时变 性和用户的自私性，很难在双向拍卖中实现双边议价。为了解决上述问题文献 3 8 】 对双向拍卖模型进行了改进，针对无中心控制、存在自私用户的场景，在双向拍 卖模型的基础上提出了一种基于信任率的动态议价方案。该方案通过博弈的历史 信息建立预测其他用户策略的信任率，从而指导用户决策，在非完全信息的情况 下达到高效议价目的。基于信任率的动态议价方案可以利用双向拍卖模型中的扩 散减小准贝j j ( s r r ) ，进一步加快算法的收鲥3 9 j 。 3 、基于排队论的频谱分配算法 现有的研究中基于排队论的频谱分配算法还比较少。c a p a r 等人在该领域做 了初步探索【删。他们基于排队论模型提出了具有控制信道的频谱分配算法。该 算法中授权用户考虑信道上是否存在c r 用户，自动选取空闲信道接入而不中断 c r 用户的通信；根据仿真结果表明通过c r 用户与授权用户的协调接入的方式 使得在c r 用户阻塞率无明显差别的情况下带宽利用率得到有效的提高，c r 用 户强制中断率得以降低。退这种协调接入的方式要求授权用户网络做一些改动， 如增加控制信道功能等，实际网络中实现比较困难。因此提出这种频谱分配算法 第1 4 页共5 3 页 北京邮i 乜人学硕，i ：学位论文 第二章相关研究综述 的意义更多在于它给出了c r 网络用户业务性能的理论上限。 较高的c r 用户强制中断率对c r 业务特别是实时通信业务的影响较大，如 何降低c r 用户强制中断率是频谱分配中重点关注的问题。文献【4 1 】提出预留一 部分频谱资源给授权用户专用的频谱分配算法。在该算法中，授权用户接入时先 选择空闲的预留信道接入，若预留信道全部占用，则接入非预留的信道，即若为 授权用户预留尺个信道，则c r 用户至多能够接入m r 个。这种方式通过控制 授权用户优先接入预留的空闲信道，减小了c r 用户被中断的可能，但同时减小 了c r 用户的可用信道数，增加了阻塞率。实质是以一定的c r 用户阻塞率的性 能损失换取c r 用户强制中断率性能提高。仿真结果表明，随着预留信道数的增 加，c r 用户的中断率逐渐降低，但阻塞率却不断上升1 4 。所以文献 4 1 1 考虑通 过在一定的阻塞率和中断率的限制条件下最大化网络容量来选取最优的预留信 道数r ，取得阻塞率和中断率的折中。 采用频谱切换策略可实现当授权呼叫抢占c r 呼叫时，c r 呼叫能快速寻找 新的空闲信道进行切换，以维持通话链路不被立即中断。针对实时业务的情形， 文献f 1 6 1 提出为c r 切换呼叫预留信道的机制，赋予切换呼叫一定的优先权。该 机制的基本思路是在参考频谱池中，设每个呼叫占用一个信道，授权呼叫可随机 接入m 个信道中任何一个信道。系统为从同一频谱池组内的其他频谱池切换过来 的呼叫预留，个信道。c r 新呼通过频谱检测获取空闲频谱信息并随机选择m r 个信道中任一空闲信道接入。当授权呼叫接入c r 正在工作的信道时，c r 呼叫 切换到同一频谱池组内的其他频谱池的预留信道上继续通信。 由于大部分数据业务对实时性的要求并不高，因此完全有可能将切换呼叫先 排队缓存，等系统有空闲信道后再接入。文献 1 6 1 针对数据等非实时业务设计切 换请求排队机制。该机制的基本思路是每个呼叫占用一个信道，授权呼叫可随机 接入任何一个信道，c r 用户通过频谱检测获取空闲频谱信息并随机选择一个空 闲信道接入。当授权呼叫接入c r 正在工作的信道时，c r 呼叫发起切换请求。 若频谱池还有空闲信道，该c r 切换呼叫立即接入空闲信道，否则允许c r 切换 呼叫请求到缓存区排队等待，队列遵循先入先服务( f c f s ) 排队规则。队列中的 c r 切换呼叫在不超过所容忍的时延期间，即最大排队时间f 内，若能获得空闲 信道则接入继续通信，否则呼叫离开缓存区。具有切换请求排队机制的认知无线 电系统能够使得c r 切换呼叫有机会得以再次接入信道，而不是直接中断通信； 能够有效地降低c r 用户的强制中断概率。 2 3 3 自适应带宽分配的频谱分配技术 现有的认知无线电网络的频谱分配算法都为固定带宽分配，c r 用户均静态 的占有网络中空闲的带宽，而无法根据网络中授权用户占用带宽情况动态的改变 第1 5 页共5 3 页 北京邮电人学硕一i ：学位论文第二章相关研究综述 其占用带宽，c r 用户未充分利用授权用户不占用的空闲带宽。为解决这个问题， 本文的主要工作就是对c r 用户能够动态地调整其实际占用带宽的自适应带宽分 配的频谱分配技术进行研究，具体的内容将在第三章和第四章进行详细描述。限 于作者的能力和时间，本文目前所作的研究工作是通过建立排队论模型对自适应 带宽分配的频谱分配技术进行分析研究的。 2 4 本章小结 本章首先给出了不同的研究机构及个人从不同角度对c r 的定义，阐述了 c r 的基本功能以及目前认知无线电的标准化进展。其次重点对c r 关键技术中 的频谱分配研究现状进行了总结。 目前国内外对频谱分配算法的研究较多，但都属于固定带宽分配的频谱分配 算法，其主要的算法模型有基于图论的频谱分配模型、基于博弈论的频谱分配模 型和基于排队论的频谱分配模型。固定带宽分配的频谱分配算法中对c r 用户的 带宽分配方式都是固定的，在通信过程中c r 用户占用带宽是静态的，无法根据 系统状态动态调整。因此作者接下去的主要工作是针对固定带宽分配的频谱分配 算法中存在的这个普遍问题采用随机过程、排队论等理论对认知无线电网络中频 谱分配技术中的自适应带宽分配机制进行深入的研究。 第1 6 页共5 3 页 北京邮电人学硕l ：学位论文第三章认知无线电网络的白适府带宽分配机制研究 第三章认知无线电网络的自适应带宽分配机制研究 3 1 引言 在认知无线电( c r ，c o g n i t i v er a d i o ) 网络中，具有认知功能的c r 用户可以通 过智能感知频谱环境，机会式接入到已分配给授权用户但未被占用的频谱空穴。 而授权用户具有优先权，且可以抢占c r 用户正在使用的信道。这种c r 用户与 授权用户共享频谱的过程可描述为具有强制中断特性的排队问题。文献【4 0 】对这 种具有强制中断机* i j ( f t m ，f o r c e dt e r m i n a t i o nm e c h a n i s m ) 的c r 系统进行了性能 分析，仿真表明仅在授权用户业务量强度很小时，认知无线电系统才实际可用， 否则很高的通话强制中断率难以保证c r 用户的q o s 要求。 为降低强制中断率，文献 1 6 1 针对c r 用户的业务类型为数据业务时允许有 一定时延的情况，提出c r 用户切换请求排队机带t j ( h q m ，h a n d o f fq u e u i n g m e c h a n i s m ) ，为被授权用户中断的c r 用户设置缓存区，使得c r 用户能够再次 机会式接入到信道接受服务，从而降低了c r 用户强制中断率。 以上所述的f t m 机制和h q m 机制中，c r 用户机会式接入信道能够使得授 权用户未占用的空闲频谱不会浪费，从而在一定程度上提高了系统的带宽利用 率。但两者都是固定分配带宽，c r 用户并不能充分利用系统中的频谱空穴，如 果能够动态地分配带宽，系统的带宽利用率就可以进一步的提高。 考虑到数据业务占用带宽有很大的变化范围，数据业务一般都具有弹性变化 带宽的特征【4 2 j ，本章基于m a r k o v 模型分别提出基于强制中断机制的自适应带宽 分配机sj j ( a b f t m ，a d a p t a t i o nb a s e do nf o r c e dt e r m i n a t i o nm e c h a n i s m ) 和基于切 换请求排队机制的自适应带宽分配机s j j ( a b h q m ，a d a p t a t i o nb a s e do nh a n d o f f q u e u i n gm e c h a n i s m ) 。a b f t m 机制和a b h q m 机制中允许所有c r 呼叫可以根 据授权呼叫占用带宽情况自适应调整其占用带宽，充分利用授权呼叫未占用的空 闲频谱1 4 2 。，从而减少对空闲频谱的浪费，提高系统带宽利用率。理论分析和仿 真结果表明，a b f t m 机制和a b h q m 机制能够有效地提高认知无线电系统的带 宽利用率。 3 2 理论基础 排队论是对通信系统进行性能评价的重要分析方法。排队系统中最为基本的 第1 7 页共5 3 页 北京邮电大学硕士学位论文第三章认知无线电网络的白适应带宽分配机制研究 要素是：顾客、排队规则和服务台。一个排队系统可以通过以下六个特征来描述： a ：顾客到达的时间间隔分布；b ：服务器的服务时间分布；n ：服务台 个数n ，1 ；l ：队伍容量，系统中顾客排队容许长度；m ：表示顾客源 数目；f ：服务规则，顾客到达后接受服务的先后次序，例如先进先出( f i f o ) ， 后进先t 岛( l i f o ) 等等。相应地排队模型可用a i b i n l m 描述。 运用排队理论对系统进行分析研究时主要从系统性能指标的概率特性着手。 一般多研究排队系统的稳态特性，常用的稳态指标有系统内顾客数的期望值、系 统损失率、顾客在系统内逗留时间的期望值等。本章中描述认知无线电网络稳态 性能的指标值主要包括c r 用户的呼叫阻塞率、通话强制中断率以及带宽利用率。 排队系统的分析过程：首先对实际通信系统进行分析，建立排队模型，然后 通过对实际系统掌握的知识，写出系统方程并求得稳态解。通常只要模型具有 m a r k o v 性，是可以做到这一步的。本章中作者建立的模型都是具有m a r k o v 性的， 因此对于不具有m a r k o v 性的模型的求解方法不进行赘述。 m a r k o v 排队模型即顾客到达流是泊松流或者说顾客到达的时间间隔服从负 指数分布，服务时间为指数分布的排队问题。常见的描述m a r k o v 排队模型方法 有m a r k o v 链、生灭过程和拟生灭过程。其中，构造m a r k o v 链并求解采用常规 方法即可，这里重点讨论生灭过程和拟生灭过程及求解。 1 、生灭过程( b d ，b i r t h a n d d e a t hp r o c e s s e s ) 1 4 3 川l 定义l ：非负整数 o ，1 ， 上的m a r k o v 过程 x ( o ，t 20 l ，如果其无穷小生成元 有下列三对角形式 q = 则称 x ( f ) ，rzo ) 为生灭过程， 九珂芑0 称为生率， - i n 厅zo ) 称为灭率。 生灭过程的最基本特征是：在充分短的时问内，过程只能转移到相邻的状态 上。因此生灭过程是一种特殊的连续马氏链。 定理l ：极限定理：令e = l i m z ( f ) ，j e e ( 1 ) 对有限状态e ； o ，弓一1 ，即 弓，j = o ，七) 为平稳分布。 第1 8 页共5 3 页 丸 以 + 九 一九以 肛 o ，弓。1 ，即 弓，| - 0 , l 2 ， 为平稳分布。 2 、拟生灭过程( q b d ，q u a s i b i r t h a n d d e a t hp r o c e s s e s ) 定义 2 ： 考虑二维马氏链x o ) 一 ( l ，。) ；n - o ，状态空间 e ； ( 七，- ) ：七o ，1 2 ，m ；j ：o , l 2 ，臃) ，其中前一个变量k 称为水平，后一个变量称 为位相。若其无穷小生成元q 有如下分块三对角形式： t 2 ； 玩4 q岛4 c 2 易4 ee4 i 式( 3 - 1 ) 一般情况下，4 ，毋，c 均为非负m + l 阶方阵， 且 ( 岛+ 4 弦一( g + 盈+ 4 弦- e , k l ，则称 ，。 为一个拟生灭过程( q b d ) 。 q b d 是经典的生灭过程从一维到二维的推广，正如生灭过程的无穷小生成 元矩阵具有三对角形式一样，拟生灭过程的生成元是分块三对角矩阵，如式( 3 1 ) 所示。若状态空间中m 为有限的，即其中的矩阵4 ，反，q 均为有限维矩阵块，则 称之为有限位相q b d 过程；若坍为无限的，则称之为无限位相q b d 过程。目 前在处理无限位相q b d 过程的问题上，还存在着很大的困难，很多问题有待解 决。这里主要讨论有限位相的q b d 过程的性质及其求解。 形如式( 3 1 ) 的q 为一般有限位相q b d 过程，若q 中的子块从某一个水平 ，c 时开始不再发生变化，过程的转移概率矩阵如下： q ，式( 3 2 ) 即4 一彳，c 一1 ，b j b ，_ zc ，q c ，j c ，此时，称之为水平独立的q b d 过程，独立水平为c 。对于形如式( 3 2 ) 的q b d 过程，已经建立起了相对比较完 善的解决方法，如由n e u t s 教授发展的矩阵分析方法【4 5 l 等；否则，称之为水平相 依的。水平相依q b d 过程存在许多复杂问题有待解决。迄今为止，广泛使用的 第1 9 页共5 3 页 彳彳口 4 艿c 艮c 4 o 4 b 玩q 北京邮电人学硕l 学位论文第三章认知无线电网络的自适应带宽分配机制研究 是上述的水平独立的q b d 过程。 定义3 ：如果一个拟生灭过程( q b d ) 的状态空间有限且相互独立，则这个拟 生灭过程被称为广义拟生灭过程( g q b d ) 。 定理2 ：对于广义拟生灭过程( g q b d ) ，不论p 。a 为何有限值，对参数固 定的 z o ) ，t 0 ) 都存在唯一的平稳分布。 目前关于有限状态q b d 求解方法的主要思想是化简全局平稳系统并用一个 解函数来表示该化简系统的稳态概率i 删。在4 ；的阶数相同的情况下，d en i t t o p e r s o n eg r a s s i 的算法【4 7 】可以应用到有限状态的q b d 过程求解中。 c r 用户与授权用户共享频谱的过程使得c r 系统构成一随机服务系统，可 用排队理论进行系统性能分析。本章的主要研究工作就是围绕着如何借助排队理 论和方法，把复杂的系统用简洁有序的数学方法加以描述，获得排队系统性能指 标的精确解。 3 3a b f t m 机制 具有c r 用户强制中断机制的c r 系统是一种更接近实际的情况。具有认知 功能的c r 用户机会式接入到已分配给授权用户但未被占用的频谱空穴，而授权 用户具有优先权，当其再次出现时要求c r 用户及时退出正在使用的信道，避免 与授权用户发生碰撞，因此授权用户的出现可能会造成了c r 用户通信的中断。 本节将运用二维连续时间m a r k o v 链对基于c r 用户强制中断机制的自适应 带宽分配机n ( a b f t m ，a d a p t a t i o nb a s e do nf o r c e dt e r m i n a t i o nm e c h a n i s m ) 的性 能进行系统建模分析，得到了带宽利用率等系统性能关键指标的解析结果。 3 3 1 系统模型 设c r 用户与授权用户共享的一段连续频谱组成一个频谱共享池，总带宽为 n ，均匀划分为相互正交的个单位带宽，以信道为基本单位分配带宽。设每个 授权呼叫占用一个带宽，且可以随机接入到任何一个信道；c r 用户通过频谱检 测获取空闲频谱信息并接入到空闲信道。当授权呼叫接入到c r 呼叫正在工作的 信道时，该c r 呼叫必须及时退出正在使用的信道，其通信被中断【删。设c r 呼 叫退出信道的时延足够短，可以忽略不计。 针对c r 用户为具有弹性变化带宽特征的数据业务的情况，可以假设如果系 统中有足够的可用带宽，每一个c r 新呼叫到达系统建立连接时都试图得到最大 带宽k ；否则此时在信道中的所有c r 呼叫会通过自适应带宽调整均分授权呼叫 未占用的空闲带宽，但每个c r 呼叫都至少应占用个带宽。因此每个c r 呼叫 实际带宽b 是在屯和k 之间变化【4 2 镐l 。为了简化，本文进一步假设k ：1 。 第2 0 页共5 3 页 北京邮i 乜人学硕f j 学位论文第三章认知无线l 【i 网络的白适戊带宽分配机制研究 同样地，假设当有呼叫到达或者离开系统，系统状态发生了变化就会使得在 信道中接受服务的每个c r 呼叫都在极短的时间内自适应调整其目前占用的带 宽，尽可能多的占用空闲带宽，提高c r 业务平均传输速率【4 2 ，删。a b f t m 机制 的系统模型如图3 1 所示。 l 授权呼叫到达 一 7 2 l c r 呼叫到达 一 ，7 b - b m n c r 呼叫被阻塞 图3 - 1a b f t m 机制系统模型 自适应带宽分配机制具体描述如下： ( 1 ) 当一个c r 新呼叫到达，判断系统中的总呼叫数( 授权呼叫数、c r 呼叫 数之和) 是否小于总带宽数n 。系统中的总呼叫数小于总带宽数n 时，若至少 有个空闲带宽，该c r 新呼叫以最大带宽接入到信道中；若空闲带宽小于， 该c r 新呼叫以带宽b ( b 吒，吒为最小带宽) 接入信道，其他j 下在占用信道的 c r 呼叫也相应调整带宽为b 。b 的计算规则如下：包括刚接入信道的该c r 新呼 叫在内的所有j 下在占用信道的c r 呼叫均分系统中授权呼叫未占用的带宽。系 统中的总呼叫数至少为n 时，所有在信道中的c r 呼叫占用带宽数已经为最小带 宽6 _ ；1 ，该c r 新呼叫无法接入到信道中，被阻塞。 ( 2 ) 当一个授权新呼叫到达，授权呼叫具有优先权，其随机的接入到信道。 该授权呼叫接入到空闲信道时，则不影响c r 呼叫通信。该授权呼叫接入到 c r 呼叫j 下在使用的信道时，该c r 呼叫通信被中断，其退出正在使用的信道。 ( 3 ) 当一个授权呼叫或者c r 呼叫完成通话时，系统将释放它们所占用的所有 带宽。此时系统中所有c r 呼叫均根据j 下在占用信道的总呼叫数自适应调整占用 带宽，也就是这些c r 呼叫均分授权呼叫未占用的带宽。 在自适应带宽分配机制中，值得注意的是：只要系统中状态发生了变化， 正在接受服务的所有c r 呼叫都会根据当前系统中的带宽情况自适应的调整其实 际带宽进行传输，从而提高c r 业务的平均传输速率。任何时刻在信道中接受 服务的所有c r 呼叫占用的带宽是相同的。 第2 1 页共5 3 页 北京邮电大学硕士学位论文第三章认知无线电网络的自适应带宽分配机制研究 3 3 2 分析模型 本文采用二维m a r k o v 链对c r 系统的a b f t m 机制进行研究。设任意时刻f 系统中正在服务的授权呼叫数为p o ) ；系统内在服务的c r 呼叫数为s ( f ) 。令 ( f ) 尸( f ) ，s ( f ) ，记系统的状态空间为v ，则y 。 f ，j l o f s ，0 _ a n f 。 假定频谱共享池中授权用户产生的呼叫和c r 用户产生的呼叫到达过程相互 独立且均为泊松过程，到达率分别为九和九。授权呼叫持续时间服从负指数分 布，平均呼叫持续时长为l j i i 。c r 呼叫持续时白j 也服从负指数分布，但因为其 具有自适应调整带宽的特性，故其服务率是随系统状态变化的。 当c r 呼叫占用最大带宽k 时，c r