认知网络中基于切换概率的频谱空洞匹配方案

吴琼　曾亚　王旭东　颜爱良　邹维军

摘要：針对目前认知无线网络中，只考虑授权用户的服务质量，很少考虑次用户服务质量的问题，兼顾无线频谱资源的使用效率，文中提出一种基于切换概率的频谱匹配方案，算法通过限制次用户通信过程中的切换概率，保证次用户的服务质量，使次用户在通信过程中的切换次数减少。仿真结果表明，使用切换概率与目标频谱切换概率 进行匹配的方案可以更好的保证次用户系统的服务质量，减少频谱切换的次数。

关键词：认知无线网络；频谱空洞；切换概率

中图分类号：TN911.3 7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0055-03

1 引言

在认知无线电网络中，次用户机会式地使用授权频谱，当授权用户出现时，次用户必须撤出重新选择合适的信道进行切换，以完成通信，这样对次用户的服务质量带来很大影响。在认知无线电的研究过程中，如何保证次用户的服务质量是一个十分重要的问题。在文献[1]中目标信道的选择是由服务时间大小来决定。文献[2]中通过共用同一频段范围内来提高频谱使用率等。目前的研究大都基于授权用户的服务质量，保证授权用户在通信过程中不受干扰，很少有文章涉及如何对次用户的服务质量进行保证[3]。然而，认知无线电研究的就是在授权用户不使用频谱进行通信时，次用户“见缝插针”的使用频谱进行通信，提高频谱的使用率。如果只能保证授权用户的服务质量，次用户的服务质量不能保证，次用户在通信过程中就会不同的进行频谱切换，频繁的切换会带来较大的通信时延，甚至在通信未完成的情况下，次用户就不得不中断通信。针对这个问题，文中提出一种基于切换概率的频谱匹配方案，该算法通过限制次用户在通信过程中的切换概率，减少次用户在通信过程中的切换次数，进而保证次用户通信过程中的服务质量。

2 基于切换概率的频谱空洞匹配方案

2.1 切换概率与系统的服务质量

为次用户匹配一个最合适的频谱空洞是认知无线电系统中保证服务质量的一个最重要问题。不同的频谱空洞具体不同的特征，其传输的业务也不同，频谱空洞与业务示意图如图1所示。

假定空洞时间是随机变量，第j个频谱空洞的空洞时间服从参数为的负指数分布，是指频谱空洞的空闲时间，根据次用户进行频谱切换的概念，当需要的频谱空洞的空闲时间不能满足次用户通信过程中所需的传输时间时则需要发生切换，公式2.1表示次用户需要进行频谱切换的条件：

2.2 基于切换概率的频谱空洞匹配算法

从公式2.4可以看出，使通信系统中存在的次用户在通信过程中尽量都不发生切换，使系统的通信服务质量最高，才是最优的频谱匹配方案。简言之，通信系统的PQ最大才能保证服务质量最优。然而，这是理想状态，在现实通信情况下，授权用户和次用户的出现都是不固定的，频谱空洞也是动态随机的，达到这一理想状态是不服实际的，次用户在通信过程中不可避免的会出现频谱切换。为了解决这一问题同时可以提高频谱的使用效率，提出了一个新的频谱空洞匹配算法，在给次用户分配频谱空洞时优先为其分配一个与自身业务特性最匹配的频谱空洞。

影响服务质量的因素有很多，文中我们仅从次用户通信过程中发生频谱切换的角度进行定义，定义如下：在保证次用户i在通信过程中的服务质量其他下，次用户i在通信中可以发生的最小不切换概率为，在次用户的通信中，如果不切换的概率不大于这个值，那么就可以保证次用户的通信服务质量。根据定义，最小不切换概率为，那么所允许的次用户通信过程中最大的切换概率便为1-，我们定义为目标切换概率。

为了保证次用户的通信服务质量，在为次用户选择通信的频谱空洞时，要保证次用户在通信过程中的切换概率小于1-；考虑到无线频谱资源的有效使用，在为次用户匹配频谱空洞时，我们优先为其匹配一个切换概率与其所要求的目标切换概率最相近的一个，如下面公式2.5所示。

2.3 算法描述

2.3.1 本章具体的算法流程图

本章提出基于切换概率的频谱空洞匹配算法，具体可以用图2表示。

2.3.2 算法描述

该算法的执行过程如下：

Step1，首先初始化保证次用户业务通信服务质量的。

Step2，然后计算次用户目标切换概率1-。

Step3，计算在不同的频谱空洞上进行通信时的实际切换概率。

Step4，按照，找出目标频谱空洞j。

Step5，将频谱空洞j匹配给与之对应的次用户i。

Step6，完成匹配算法结束。

2.4 性能分析与仿真

假设有M个不同的频谱空洞，Bj表示频谱空洞j的带宽，频谱空洞的时间服从参数为负指数分布。Li表示服务数据量的总数，Treq，i表示次用户需要的通信服务时间。次用户在通信过程中，如果授权用户出现了，此时次用户需要重新寻找合适的频谱空洞进行切换，以便完成后续通信。假定参数服从[10，300]的均匀分布，服从[1/2000，1/200]的均匀分布。

由图3可见，次用户越多，PQ越小，系统的服务质量越差，发生频谱切换的次用户越多，次用户的服务质量越差；如果保持次用户数保持不变，次用户数不管是5个还是20个，文中所提算法的PQ都比随机算法得值更优。因此，文中算法可以更好的保证次用户的通信服务质量。

从图4与5可以看出：随着次用户数的增加，频谱空洞不管多少，次用户发生切换的次数都相应增加。相比随机匹配算法，使用文中所提算法，发生切换的次数明显减少，提高了系统的通信性能，次用户的通信服务质量也得到了进一步保证。

3 结语

当授权用户导致次用户需要发生频谱切换时，文中兼顾无线频谱资源的使用率及次用户的通信服务质量，提出了一种基于切换概率的频谱空洞匹配算法。并且对该方案进行了仿真分析，仿真结果表明使用该方案可以有效地保证次用户的服务质量，减少发生频谱切换的次数。

参考文献

[1]Chung-Wang Wang； Li-Chung Wang； Modeling and Analysis for Proactive-Decision Spectrum Handoff in Cognitive Radio Networks[C].Communications， 2009. ICC ‘09. IEEE International Conference on 14-18 June 2009 Page（s）：1-6.

[2]T.Weiss and F.Jondral. Spectrum pooling： An innovative strategy for the enhancement of spectrum efficiency [J]. IEEE Communication magazine，2004：S8-S14.

[3]JO，OHYUN，PARK， JIHYUN，CHO DONG-HO. QoS Provisioning Spectrum Management Based on Intelligent Matching and Reservation for Cognitive Radio System. Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications[C]//2nd International Conference，2007： 530-534.

[4]Ohyun Jo， Dong-Ho Cho. Efficient Spectrum Matching Based on Spectrum Characteristics in Cognitive Radio Systems [J].Wireless Telecommunications Symposium， 2008. WTS 2008 Page（s）：230-235.