一种次用户随机接入新模型及系统

胡念英, 李瑞阁, 郑娜娥

(1. 南阳理工学院 a. 计算机与信息工程学院; b. 数理学院, 河南 南阳 473000; 2. 战略支援部队信息工程大学数据与目标工程学院, 郑州 450002)

随着无线通信的飞速发展, 频谱资源稀缺与频谱利用率低的矛盾日益突出．Wang等[1]提出一种用于寻找动态交通需求最短可行路径的动态频谱分配算法, 具有较好的带宽阻塞概率及频谱利用率; Balapuwaduge等[2]通过将次用户引入队列的信道组合策略,提高了网络的容量和频谱利用率; 曹龙等[3]提出基于稳定匹配的资源分配算法,有效降低了计算复杂度和系统时延; Biswas等[4]提出了合作频谱感知方案,可通过控制信道将决策发送给融合中心; Wei等[5]探讨了在保证系统公平性的条件下, 提高通道选择能力及网络吞吐量的方法; Zhu等[6]提出了基于新型动态频谱抗干扰系统的多址组网方案,明显提高了系统的吞吐量; Chu等[7]提出了考虑流量优先级的动态频谱接入策略,可使主用户的流量具有最高优先级, 同时分析了系统的阻塞情况和冲突概率; Liu等[8]研究了多用户、多信道状态下次用户随机接入的信道条件及传输质量; Yang等[9]提出了多策略动态频谱接入时,提高系统有效吞吐量及减少碰撞概率的方法; Safavi等[10]研究了主次用户动态频谱的接入概率及系统有效带宽; 孙景云等[11]阐述了具有不等差错保护的接入方法,在因主次用户的碰撞导致吞吐率低、信道拥塞的情况下,可满足高优先级数据的有效传输．这些研究均假设新到次认知用户对系统中原始在线的主用户和次认知用户的检测概率相同,而实际中这2种概率不等,故本文拟通过区分二者建立模型,并探讨分析方法．

1 模型建立

图1 系统状态转移图Fig.1 System state transition diagram

2 新概率模型性能分析

3 仿真结果

设主用户在VoIP服务下, 且λp=0.35,λs=[0.5∶0.5∶5],μp=1,μs=2．图2和图3分别是信噪比为0 dB, 不同信道数条件下, 次用户的到达强度λs对系统冲突概率和频谱利用率的影响．结果显示, 随着信道数M的增加, 在次用户到达强度λs不变的前提下, 冲突的可能性减少; 而在信道数M不变的情况下, 随着λs的增加, 冲突概率增加．但是随着次用户接入强度的提高, 使得系统中空闲信道被利用的机会增大,提高了系统的频谱利用率．

图2 不同信道数下的冲突概率曲线Fig.2 Collision probability curves at different channel numbers

图3 不同信道数下的频谱利用率曲线Fig.3 Spectrum utilization curves at different channel numbers

图4 不同虚警概率下的冲突概率曲线Fig.4 Conflict probability curves at different false alarm probabilities

图5 不同虚警概率下的频谱利用率曲线Fig.5 Spectrum utilization curves at different false alarm probabilities

图4与图5分别是信噪比为0 dB, 信道数M=10的条件下, 系统的虚警概率和次用户的到达强度λs对系统冲突概率和频谱利用率的影响．从图中可以看出, 在相同虚警概率Pf1、Pf2下, 随着次用户到达强度λs的增加, 冲突概率增大, 频谱利用率增加; 由于虚警概率与漏警概率呈反比, 所以随着虚警概率Pf1、Pf2的增加, 漏警概率Pm1、Pm2减小, 故在λs不变的条件下, 冲突概率减小,使频谱利用率提高．

图6与图7分别是在Pf1=0.1,Pf2=0.15,M=10的条件下, 系统的信噪比和次用户到达强度对系统冲突概率和频谱利用率的影响．从图中可以看出,随着信噪比的增加, 检测概率Pd1、Pd2增加, 造成Pa1、Pa2的增加, 使碰撞概率减小,提高了频谱的利用率．在信噪比不变的情况下, 随着λs的增加, 冲突概率减小,频谱利用率增大．

图6 不同信噪比下的冲突概率曲线Fig.6 Conflict probability curves at different SNR

图7 不同信噪比下的频谱利用率曲线Fig.7 Spectrum utilization curves at different SNR

4 结论

本文给出了非理想感知的条件下新到次认知用户对原主次用户的检测概率加以区分的系统概率模型,推导了主次业务的碰撞概率及频谱利用率．结果表明:尽管存在感知差错,次级用户通过认知技术接入仍然能显著地提高频谱利用率;同时,通过控制次用户的接入,主用户的主要性能指标不会受到损害．由于新到次认知用户要对系统中原始的主用户和次认知用户的检测概率进行区分,这样必然增加了系统的复杂性,使系统的运行时间略有增加,故寻找一种更好的机制和算法,提高运行效率,缩短运行时间是以后的研究方向．