認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多小區(qū)資源分配方案

闊永紅,楊江洪,陳 健

(西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,陜西西安 710071)

認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多小區(qū)資源分配方案

闊永紅,楊江洪,陳 健

(西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,陜西西安 710071)

在授權(quán)多小區(qū)頻譜資源復(fù)用場景下,基于分級信道接入模型提出了一種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)資源分配方案.授權(quán)小區(qū)將頻譜資源進(jìn)行區(qū)間復(fù)用,認(rèn)知系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域復(fù)用的不同劃分可用頻段,并在不同頻段采取不同的接入方式;聯(lián)合考慮鏈路傳輸需求及授權(quán)用戶干擾保障設(shè)計(jì)傳輸效益因子,根據(jù)傳輸效益因子分配可用信道,運(yùn)用拉格朗日對偶理論實(shí)現(xiàn)功率分配,并基于令牌環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Ad Hoc鏈路局部信息交互.仿真表明,所提算法相對非復(fù)用認(rèn)知場景系統(tǒng)容量可在相同指標(biāo)下提升2%.

認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò);頻率復(fù)用;多小區(qū)場景;資源分配;令牌環(huán)

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network,CRN)的發(fā)展,為解決頻譜稀缺問題帶來了新的契機(jī).在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)多小區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)下,認(rèn)知系統(tǒng)可充分運(yùn)用頻率復(fù)用技術(shù),結(jié)合有效的頻譜共享方案協(xié)調(diào)區(qū)間同頻干擾,通過為次用戶(Secondary User,SU)設(shè)計(jì)合理的資源調(diào)度策略保證主用戶(Primary User,PU)通信質(zhì)量,提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率[1].

在不同小區(qū)場景下,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)資源分配側(cè)重點(diǎn)有所差異.由于單小區(qū)場景系統(tǒng)架構(gòu)簡易,其側(cè)重解決鏈路傳輸性能最優(yōu)問題,現(xiàn)有的文獻(xiàn)則多采用博弈理論[2-3]或最優(yōu)化理論[4-5]實(shí)現(xiàn)資源有效分配;而多小區(qū)場景由于需聯(lián)合考慮區(qū)間的資源調(diào)度,其實(shí)現(xiàn)途徑相對單小區(qū)而言更為復(fù)雜,故需通過設(shè)計(jì)合理的多址接入和干擾協(xié)調(diào)方式,實(shí)現(xiàn)區(qū)間頻率復(fù)用,從而進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率.文獻(xiàn)[6-7]研究了多小區(qū)正交頻分多址(OFDMA)場景下的資源分配問題,次用戶采用overlay方式接入授權(quán)小區(qū)頻段,這種接入策略易導(dǎo)致次用戶在授權(quán)小區(qū)承載業(yè)務(wù)量較大時,認(rèn)知系統(tǒng)可用信道數(shù)減少而難以保障自身服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS).文獻(xiàn)[8]提出小區(qū)沖突圖的概念來降低認(rèn)知小區(qū)間干擾,但每個認(rèn)知小區(qū)采用underlay的方式占用系統(tǒng)部分頻段,易使主用戶受到同頻干擾而無法保障其服務(wù)質(zhì)量.

上述認(rèn)知多小區(qū)資源分配方案多采用集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)全局信息交互,且不同授權(quán)小區(qū)復(fù)用相同的可用頻帶,此種接入策略易造成區(qū)間同頻用戶的強(qiáng)干擾,降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸性能,影響了認(rèn)知小區(qū)對有限頻譜的利用效率.相比于集中式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),分布式架構(gòu)下的認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更能切合可用頻譜的時變特性,適應(yīng)動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可通過靈活的頻譜管理技術(shù),使次用戶自適應(yīng)地滿足射頻環(huán)境在時空變化上的需求[9].此外,考慮到小區(qū)承載業(yè)務(wù)量的差異性,簡單的調(diào)度機(jī)制難以消除小區(qū)同頻干擾,實(shí)現(xiàn)區(qū)間頻率復(fù)用則成為降低區(qū)間干擾的有效途徑[10].

基于上述分析,筆者設(shè)計(jì)了認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多小區(qū)分級信道接入模型.此模型在授權(quán)小區(qū)頻率復(fù)用場景下,根據(jù)小區(qū)的不同將授權(quán)頻譜劃分為專用頻段和共享頻段,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)在不同頻段上采取不同的接入策略.聯(lián)合考慮認(rèn)知鏈路服務(wù)質(zhì)量需求以及主用戶干擾保障設(shè)計(jì)傳輸效益因子,提出對應(yīng)的頻譜分配方案為不同頻段上的可用信道分配合理的Ad Hoc鏈路,結(jié)合拉格朗日對偶理論給出相應(yīng)的功率控制策略.考慮到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的分布式架構(gòu),提出基于“令牌環(huán)”的信息交互方式,通過令牌的局部交互實(shí)現(xiàn)信道的分布式分配,使小區(qū)用戶通過本地決策實(shí)現(xiàn)資源分配.

1 系統(tǒng)模型

如圖1(a)和(b)所示,授權(quán)小區(qū)采用集中式架構(gòu),小區(qū)內(nèi)主用戶與次用戶共存[6-8].認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)采用分布式架構(gòu),無中心控制器用于交互信息,節(jié)點(diǎn)需在本地進(jìn)行決策.為兼顧頻譜利用率并實(shí)現(xiàn)區(qū)間干擾協(xié)調(diào),筆者采用頻率復(fù)用因子為3時的授權(quán)小區(qū)復(fù)用場景,其他復(fù)用場景同樣適用于這種設(shè)計(jì)的資源分配策略.次用戶可通過地理位置上的相似性、頻譜使用條件或其他共同的環(huán)境因素在授權(quán)小區(qū)中組成認(rèn)知簇(Cognitive Radio Cluster,CRC),并在認(rèn)知簇內(nèi)形成局部公共控制信道,認(rèn)知簇間可通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)形成通路[9,11].認(rèn)知簇節(jié)點(diǎn)運(yùn)用RTS/CTS協(xié)議與簇內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)構(gòu)成收發(fā)對.當(dāng)主用戶處于上行傳輸階段時,系統(tǒng)有L個授權(quán)小區(qū),每個小區(qū)授權(quán)可用子信道數(shù)為K(則系統(tǒng)子信道數(shù)為3K),每個小區(qū)有M個主用戶和N條認(rèn)知鏈路,每條鏈路由單個發(fā)射機(jī)(SU-T)和單個接收機(jī)(SU-R)構(gòu)成.系統(tǒng)采用OFDM調(diào)制方式,載波之間完全正交,傳輸完全同步.此外,考慮到實(shí)際區(qū)域劃分所產(chǎn)生的尺度衰落,僅考慮第1級相鄰小區(qū)的干擾[12].

圖1 系統(tǒng)場景與分級信道模型示意圖

在現(xiàn)有的認(rèn)知多小區(qū)信道共享模型中,次用戶在授權(quán)小區(qū)內(nèi)多采用overlay或underlay方式與主用戶共存.前者易造成小區(qū)邊緣用戶對其余同頻小區(qū)的干擾,且當(dāng)同一小區(qū)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時,次用戶可用頻譜資源尤為稀缺;后者的頻譜利用率雖較高,但難以實(shí)現(xiàn)良好的干擾協(xié)調(diào).

為避免對同小區(qū)主用戶產(chǎn)生干擾并提高認(rèn)知鏈路接入頻譜機(jī)會,根據(jù)復(fù)用小區(qū)的不同,筆者所提分級信道模型在小區(qū)內(nèi)將頻譜對應(yīng)地劃分為專用頻段與共享頻段.專用頻段供本小區(qū)主用戶和部分次用戶(占用頻譜空洞)采用單信道-單用戶的方式接入,而共享頻段則允許多個次用戶同時進(jìn)行接入.如圖1(c)所示,給授權(quán)小區(qū)1分配系統(tǒng)1/3的頻譜,此部分頻譜在小區(qū)1中屬專用頻段,可供小區(qū)主用戶和次用戶使用,且次用戶在此頻段僅能占用主用戶未使用的信道,而次用戶可通過干擾協(xié)調(diào)接入小區(qū)2、3頻段.由于本小區(qū)次用戶在專用頻段上僅使用同小區(qū)主用戶尚未使用的頻譜空洞,區(qū)內(nèi)同頻干擾得到控制.對于相鄰小區(qū)同頻次用戶,考慮到衰落的影響,其對此小區(qū)主用戶造成的干擾很小,利于保障主用戶的服務(wù)質(zhì)量.此外,多條認(rèn)知鏈路同時接入共享頻段,可在實(shí)現(xiàn)干擾控制的前提下有效地提升認(rèn)知系統(tǒng)的傳輸性能.

對于?l∈L={1,2,…,L},設(shè)小區(qū)l中認(rèn)知鏈路集合N={1,2,…,N},專用信道集合K},共享信道集合,主用戶占用信道集為,則小區(qū)l專用頻段中次用戶可用的信道集小區(qū)l中SU n在專用信道s上的信干噪比為

類似地,可得SUn在共享信道p上的信干噪比為

2 多小區(qū)資源分配優(yōu)化模型

在以往的多小區(qū)資源分配方案中,由于不同的授權(quán)小區(qū)使用相同的可用頻段,與之共存的各個認(rèn)知小區(qū)對不同地理位置上的授權(quán)小區(qū)采取了相同的干擾協(xié)調(diào)策略,這使得主用戶干擾約束難以得到保障.在本節(jié)中,結(jié)合筆者設(shè)計(jì)的分級信道模型,提出多小區(qū)全局容量優(yōu)化目標(biāo),給出專用頻段與共享頻段上的主用戶干擾約束條件,依據(jù)小區(qū)的劃分分解全局優(yōu)化目標(biāo),降低算法求解難度.

根據(jù)分級信道模型,小區(qū)l第n條認(rèn)知Ad Hoc鏈路的可達(dá)速率可由下式表征:

式中,等式右邊為鏈路在專用信道和共享信道上可達(dá)速率的和值.

據(jù)式(3)聯(lián)合信道分配,提出以下全局優(yōu)化目標(biāo):

式中,αl,n,s和αl,n,p為信道分配因子,且αl,n,s∈{0,1},αl,n,p∈{0,1}.

考慮到專用頻段與共享頻段具有不同的接入策略,擬對不同頻段采取不同方式進(jìn)行主用戶干擾約束.若小區(qū)l中專用信道s已分配給SUn,設(shè)此信道在其余L-1個小區(qū)中位于專用頻段的小區(qū)集為Ses,為保證其余小區(qū)主用戶的傳輸質(zhì)量,則要求SUn在專用信道s上功率psul,n,s需滿足

由于共享信道上可同時接入多條認(rèn)知Ad Hoc鏈路,對于小區(qū)l中共享信道p,則要求

根據(jù)式(4)～(6)并聯(lián)合認(rèn)知Ad Hoc鏈路傳輸質(zhì)量要求,將全局優(yōu)化問題式(4)分解為L個子問題,每個子問題對應(yīng)單個認(rèn)知簇優(yōu)化模型:

3 分級信道資源分配算法

式(7)是一個混合二進(jìn)制整數(shù)優(yōu)化模型.若采用聯(lián)合優(yōu)化算法直接結(jié)合信道和功率分配進(jìn)行求解,計(jì)算復(fù)雜度較高.為進(jìn)一步降低求解難度,分兩步實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化:利用分級信道接入算法為可接入信道分配合適的認(rèn)知鏈路;利用對偶理論為接入的認(rèn)知鏈路分配功率.

3.1 分級信道接入算法

以小區(qū)l為例,首先根據(jù)信道條件以及閾值pmaxl,n為每條認(rèn)知鏈路計(jì)算專用信道s和共享信道p的估計(jì)功率以及可達(dá)速率:

考慮認(rèn)知鏈路服務(wù)質(zhì)量需求以及主用戶干擾保障,結(jié)合式(5)和式(8),令小區(qū)l中SUn在信道s上的傳輸效益因子為

小區(qū)l中SUn在共享信道p上的傳輸效益因子為

由式(10)和式(11)給出的傳輸效益因子聯(lián)合考慮了認(rèn)知鏈路速率需求Rmin以及主用戶干擾約束Ith,其將認(rèn)知鏈路在某一信道上傳輸所得作為傳輸?shù)氖找?將此信道上造成的授權(quán)系統(tǒng)干擾量作為傳輸代價(jià),且利用Rmin與Ith調(diào)節(jié)某一信道上認(rèn)知鏈路傳輸收益與代價(jià)間的權(quán)重大小.當(dāng)認(rèn)知鏈路可達(dá)速率較低,造成的干擾量較小時,吞吐量收益權(quán)重較大;當(dāng)認(rèn)知鏈路可達(dá)速率較高,但造成的干擾量較大時,干擾代價(jià)權(quán)重較大.

基于傳輸效益因子,提出以下分級信道接入算法為每個信道選擇合適的認(rèn)知鏈路,步驟如下:

(5)為每個共享信道p分配可接入鏈路,?n∈N,對N個ηl,n,p值進(jìn)行排序,則前條認(rèn)知鏈路共享信道分配因子αl,n,p置為1,并將這些鏈路標(biāo)號并入集合

3.2 運(yùn)用對偶理論進(jìn)行功率分配

通過分級信道接入算法,可獲得各個小區(qū)專用信道分配因子αl,n,s和共享信道分配因子αl,n,p.此后,通過求解以下模型實(shí)現(xiàn)認(rèn)知鏈路的功率分配:

由于優(yōu)化模型式(12)的非凸特性,運(yùn)用對偶理論求解存在對偶差異,但若系統(tǒng)載波數(shù)足夠大,可忽略對偶解與原始解的差異[8,13].首先考慮在共享信道干擾、認(rèn)知鏈路速率和功率約束條件下,優(yōu)化模型(12)的求解,其后將采用直接法保證專用信道干擾約束條件.依此,上述優(yōu)化模型的拉氏函數(shù)可表達(dá)如下:

式中,δp、εn和θn為拉氏乘子,分別對應(yīng)前述3個約束條件.注意到對式(13)進(jìn)行整理,得

式中,Ls和Lp分別表征專用頻段、共享頻段的優(yōu)化部分.

運(yùn)用KKT條件[7,13],結(jié)合式(14)可求得小區(qū)l中SUn在專用信道和共享信道上的功率為

為滿足每個專用信道上主用戶的干擾約束,采用直接法對式(15)求出的功率進(jìn)行取值:

多小區(qū)分級信道資源分配算法步驟如下:

(3)運(yùn)用式(15)～(17),計(jì)算各個小區(qū)在專用信道上的功率以及共享信道上的功率

(4)判斷功率值是否滿足收斂條件,是,則算法結(jié)束;否則,執(zhí)行步驟(5);

3.3 基于令牌環(huán)的分布式資源分配

與現(xiàn)有集中式調(diào)度方案不同,筆者所構(gòu)建的認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的次用戶僅能在本地決策.為避免信道占用沖突,提出基于令牌環(huán)的分布式資源分配方案,從而通過令牌局部交互實(shí)現(xiàn)信道分配和沖突避免.

由于授權(quán)網(wǎng)絡(luò)可通過頻譜租賃等方式從次用戶處獲得相應(yīng)收益,授權(quán)小區(qū)可通過廣播干擾閾值及其承受干擾量從而部分協(xié)作認(rèn)知簇進(jìn)行資源分配[10].考慮到拉格朗日對偶算法的分布式特性,認(rèn)知鏈路占用信道的沖突關(guān)鍵在于傳輸效益因子η,擬根據(jù)令牌環(huán)提出相應(yīng)的分布式資源分配方案,旨在通過令牌局部交互實(shí)現(xiàn)信道的分配,避免沖突.令牌環(huán)信息交互方案包括3個步驟;基于初始令牌構(gòu)建令牌環(huán);認(rèn)知簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)所設(shè)計(jì)傳輸幀結(jié)構(gòu)生成傳輸令牌;認(rèn)知簇節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸令牌流轉(zhuǎn)從而交互局部信息.

在算法執(zhí)行的初始階段,認(rèn)知簇隨機(jī)選擇一個群首(Cluster Header,CH),群首按一定方向廣播初始令牌,如圖2所示.相鄰節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽后,將此令牌附加自身ID信息繼續(xù)廣播,直至令牌最終返回群首處.群首根據(jù)初始令牌附加信息廣播認(rèn)知簇上次用戶位置,令牌環(huán)構(gòu)建結(jié)束.

圖2 初始令牌幀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 傳輸令牌幀結(jié)構(gòu)示意圖

認(rèn)知簇節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到廣播信息后,按圖3所示幀結(jié)構(gòu)生成各自令牌,其中,DATA信息在令牌中加載效益因子η.對于專用信道,由于η涉及比值但此值在同一信道上對所有次用戶而言均相等,為便于次用戶在本地生成傳輸效益值,對專用信道傳輸效益因子進(jìn)行以下修正:

共享信道傳輸效益因子處理方式同式(18).節(jié)點(diǎn)根據(jù)上式在本地生成令牌DATA信息后開始令牌流轉(zhuǎn),流轉(zhuǎn)協(xié)議如下:

(1)節(jié)點(diǎn)僅能將令牌按前置節(jié)點(diǎn)—后續(xù)節(jié)點(diǎn)順序(由初始令牌節(jié)點(diǎn)ID順序決定)流轉(zhuǎn)令牌.

(2)后續(xù)節(jié)點(diǎn)接收到前置節(jié)點(diǎn)傳遞來的令牌,先判斷令牌偽碼是否與本地偽碼序列一致.若一致,則解譯令牌;否則,丟棄令牌.節(jié)點(diǎn)解譯令牌后,記錄節(jié)點(diǎn)ID、信道ID、DATA信息.若令牌節(jié)點(diǎn)ID非自身ID,則此節(jié)點(diǎn)在令牌上修正后續(xù)節(jié)點(diǎn)偽碼序列,將此令牌傳遞給其后續(xù)節(jié)點(diǎn).

(3)節(jié)點(diǎn)解譯令牌后進(jìn)行DATA信息對比.若信道ID標(biāo)識為專用信道,則記錄具有最大DATA信息的節(jié)點(diǎn)ID;若信道ID標(biāo)識為共享信道,則記錄前Nmax個DATA信息的節(jié)點(diǎn)ID.

(4)當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到標(biāo)記有環(huán)網(wǎng)所有用戶ID的令牌后,各個節(jié)點(diǎn)根據(jù)記錄信息進(jìn)行信道占用,信道分配過程結(jié)束,所有用戶監(jiān)聽群首的確認(rèn)幀,開始數(shù)據(jù)傳輸.

3.4 算法復(fù)雜度分析

分級信道接入算法需要為每條Ad Hoc鏈路計(jì)算其在專用信道和共享信道上的估計(jì)功率及可達(dá)速率:專用信道和共享信道鏈路估計(jì)功率計(jì)算復(fù)雜度均為O(LNK2),可達(dá)速率計(jì)算復(fù)雜度均為O(L2N2K);為了實(shí)現(xiàn)專用信道和共享信道的分配,需要計(jì)算對應(yīng)的傳輸效益因子,專用信道和共享信道傳輸效益因子計(jì)算復(fù)雜度均為O(LNK(K+N));確定專用信道和共享信道在接入用戶集過程中涉及排序操作,采用快速排序法,專用信道計(jì)算復(fù)雜度為O(LN2K),共享信道計(jì)算復(fù)雜度為O(LNKNlgN).故分級信道接入算法總的計(jì)算復(fù)雜度可表征為O[LNKmax(LN,K+N,NlgN)].在運(yùn)用對偶理論實(shí)現(xiàn)功率分配的過程中,需運(yùn)用次梯度迭代更新拉氏乘子,設(shè)乘子更新迭代次數(shù)為T,則迭代過程的算法復(fù)雜度為O(L2N2KT).綜上所述,多小區(qū)分級信道資源分配算法總的計(jì)算復(fù)雜度為O[LNKmax(LNT,K+N,NlgN)].據(jù)此,可分析得到分布式架構(gòu)下平均每個用戶的計(jì)算復(fù)雜度為O[Kmax(LNT,K+N,NlgN)].

4 仿真結(jié)果分析

仿真中,假設(shè)每個小區(qū)的可用信道已被次用戶通過協(xié)作感知獲得,且同一認(rèn)知簇內(nèi)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)具有相同的頻譜感知結(jié)果,授權(quán)小區(qū)數(shù)L=7,小區(qū)半徑R=1km,每個小區(qū)覆蓋6個主用戶和6條認(rèn)知AdHoc鏈路,信道數(shù)K=16,帶寬B=1.8kHz,噪聲功率譜密度σ2=-174dBm/Hz,鏈路功率增益其中Ad-a為路徑損耗部分,A=0.097,a=4,d為收發(fā)端距離,為多徑衰落成分(其服從指數(shù)分布).由于暫時尚未有針對認(rèn)知AdHoc網(wǎng)絡(luò)多小區(qū)的資源分配算法,故在仿真中將筆者所提算法與聯(lián)合優(yōu)化算法、非復(fù)用場景算法性能進(jìn)行對比.

圖4給出當(dāng)Rmin=1Mbit/s,pmax=3W時,不同共享信道可接入認(rèn)知鏈路數(shù)在不同Ith值下的系統(tǒng)吞吐量比值曲線.吞吐量比值定義為

在非復(fù)用場景下,各個授權(quán)小區(qū)分配相同的系統(tǒng)頻段,且每個空閑信道至多被一個次用戶占用.從圖4中可看出,隨著共享信道可接入認(rèn)知鏈路數(shù)的增多,吞吐量比值逐漸提高,意味著在多小區(qū)復(fù)用場景下,認(rèn)知系統(tǒng)的傳輸性能得到提升.此外,在同一可接入鏈路數(shù)下,Ith越小,吞吐量比值越大,說明主用戶干擾約束越嚴(yán)格,復(fù)用場景獲得的認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量增益越大.

圖4 干擾閾值影響下的吞吐量比值示意圖

圖5 功率閾值影響下的吞吐量比值示意圖

圖5給出當(dāng)Rmin=1Mbit/s,Ith=-150dBW時,不同共享信道接入認(rèn)知鏈路數(shù)在不同pmax值下的系統(tǒng)吞吐量比值曲線.從圖中可看出,相對非復(fù)用場景,在復(fù)用場景下系統(tǒng)吞吐量對于不同接入鏈路數(shù)均取得一定提升,其提升量為20%到40%,且當(dāng)接入鏈路數(shù)使得共享信道近乎飽和時,隨著接入鏈路數(shù)的增多,次用戶在每個共享信道上可分功率減少,使得吞吐量比值有所下降.此外,在同一可接入認(rèn)知鏈路數(shù)下,隨著每個次用戶可用功率的增大,次用戶在每個共享信道上可分的功率增多,系統(tǒng)吞吐量比值也隨之增大.

圖6給出當(dāng)Rmin=1Mbit/s,Ith=-150dBW,pmax=3W,Nmax=3時,不同專用頻段主用戶接入信道數(shù)下認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量變化曲線.從圖中可看出,隨著主用戶接入信道數(shù)增多,認(rèn)知系統(tǒng)可接入的信道數(shù)在逐漸減少,3種算法吞吐量隨之降低.此外,在不同的主用戶接入信道數(shù)下,筆者所提算法均優(yōu)于非復(fù)用場景性能;與聯(lián)合優(yōu)化算法相比,性能差距隨著主用戶接入信道數(shù)的增多而逐漸縮小,且由于所提算法根據(jù)傳輸效益因子優(yōu)先實(shí)現(xiàn)了信道的分配,避免了每次迭代過程中信道分配因子的更新,相對聯(lián)合求解而言,降低了算法求解的復(fù)雜度.

圖6 吞吐量隨不同主用戶接入信道數(shù)變化示意圖

圖7 吞吐量隨不同功率閾值變化示意圖

圖7給出當(dāng)Rmin=1 M bit/s,Ith=-150 dBW,Nmax=3,時,不同pmax值下認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量變化曲線.從圖中可看出,認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量隨pmax值增大而逐漸增大.當(dāng)pmax值較小時,系統(tǒng)吞吐量增加相對明顯;相反,當(dāng)pmax值增大到一定程度時,吞吐量提升幅度趨于平穩(wěn).原因在于此時每條認(rèn)知鏈路受約束于授權(quán)系統(tǒng)干擾閾值Ith.在不同pmax值下,筆者所提算法的性能均優(yōu)于非復(fù)用場景算法的性能,且性能差距隨pmax值的提升而逐漸增大.

5 結(jié)束語

在授權(quán)多小區(qū)場景中,區(qū)間頻率復(fù)用有助于提高認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量.筆者所設(shè)計(jì)的分級信道模型實(shí)現(xiàn)了專用頻段與共享頻段的劃分,為保護(hù)主用戶傳輸質(zhì)量,提升認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提供了必要前提,其不僅能保證授權(quán)系統(tǒng)干擾約束,還可在協(xié)調(diào)區(qū)間同頻干擾的同時,提升認(rèn)知鏈路接入授權(quán)頻譜的機(jī)會.筆者所提算法根據(jù)傳輸效益因子分配可用信道,運(yùn)用拉格朗日對偶理論分配鏈路功率,基于令牌環(huán)結(jié)構(gòu)交互節(jié)點(diǎn)信息,通過分步求解降低了全局優(yōu)化模型求解難度,保證了分布式節(jié)點(diǎn)可在本地實(shí)現(xiàn)資源分配.仿真結(jié)果表明,筆者所提算法相對非復(fù)用場景,可使認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)獲得更優(yōu)的系統(tǒng)容量性能.

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(編輯:郭 華)

Resource allocation scheme for multi-cell cognitive radio Ad-Hoc networks

KUO Yonghong,YANG Jianghong,CHEN Jian
(School of Telecommunication Engineering,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

A resource allocation scheme for the cognitive radio Ad-Hoc network,which is collocated with the multi-cell primary radio network,is proposed based on the hierarchical channel access model.In this case,different primary cells can utilize some parts of the whole spectrums in terms of the reuse factor. Available bands are divided by the secondary system in line with the reused area and different access modes are developed according to the spectrum division.The proposed transmission profit parameter combining the transmission requirement with the interference constraint is used for channel allocation and the secondary system uses the Lagrange duality theory to implement power allocation.The Token Ring is introduced to realize local information exchange for the Ad-Hoc link.Simulation results show that,with the same performance metrics,the proposed algorithm can achieve 20%improvement on the overall throughput compared to the non-reuse-based cognitive scenario.

cognitive radio Ad-Hoc networks;frequency reuse;multi-cell scenarios;resource allocation; token ring

TN929.5

A

1001-2400(2014)03-0079-09

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.03.012

2013-01-22< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2013-11-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60972072,61340033);高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B08038)

闊永紅(1967-),女,教授,博士,E-mail:yhkuo@mail.xidian.edu.cn.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20131122.1628.201403.86_022.html