認(rèn)知無線電的拓?fù)淇刂婆c信道分配課件

西安電子科技大學(xué),西安電子科技大學(xué),*,*,美國聯(lián)邦通信委員會,FCC,的研究報告,1,指出，頻譜使用率隨時間、地區(qū)和頻帶的不同而不同，其范圍在,15,85,之間并且其中只有少部分的頻譜使用率較高，大部分頻譜都處于長期空閑狀態(tài)，甚至部分頻譜沒有被占用下圖為某一時間美國紐約的頻譜使用情況分布圖認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道分配與拓?fù)淇刂?研究背景,我們可以看出頻域上的一些頻段幾乎沒有被使用或者很少使用，但是有一些頻段卻一直被高頻率占用固定的頻譜分配方式很大程度上限制的頻譜的使用，為了提高頻譜資源的利用率，提倡頻譜的“二級利用”，作為一種能感知周圍無線環(huán)境，自適應(yīng)調(diào)整工作頻率、功率和傳輸方式等工作參數(shù)的無線通信方式,認(rèn)知無線電的出現(xiàn)，極大地提高了頻譜的利用效率，實(shí)現(xiàn)了頻譜的多樣性認(rèn)知無線電的概念最早是由,MITOLA J,在,1999,年發(fā)表的一篇論文中提出的,2,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中存在兩類基本用戶，授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶，也分別稱為主用戶,(primary user,簡稱,PU),和次級用戶,(second user,簡稱,SU),目前固定的頻譜分配政策是把授權(quán)頻譜分配給主用戶，所以他們具有使用授權(quán)頻譜的絕對優(yōu)先權(quán)。

次級用戶具有實(shí)時檢測頻譜空穴,(,頻譜空穴是頻譜域上未被,PU,占用的頻段,),的能力，即，當(dāng)某一時刻授權(quán)頻譜處于空閑狀態(tài)，沒有被主用戶占用時，次級用戶就可以接入這段頻譜，進(jìn)而利用這段頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)輸二,基本概念,這種次級用戶機(jī)會式的接入授權(quán)頻譜的方式又稱為動態(tài)頻譜接入,(dynamic spectrum access,簡稱,DSA)3,動態(tài)頻譜接入可以在很大程度上提高授權(quán)頻譜的利用效率下圖是動態(tài)頻譜接入示意圖信道分配的目的是為次級用戶分配適合自己業(yè)務(wù)傳輸?shù)男诺佬诺婪峙?策略主要有兩類,:,（,1,）預(yù)留（,proactive,）策略：在通信鏈路建立之前，首先從所有可用信道中劃分出一定數(shù)量的空閑信道，并對他們進(jìn)行優(yōu)先級判斷（可以考慮信道質(zhì)量，信道空閑時間等因素），建立系統(tǒng)的預(yù)留信道列表，當(dāng)主用戶占用了次級用戶正在使用的信道時，次級用戶從預(yù)留信道中選擇優(yōu)先級最高的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸2,）即時（,reactive,）策略：在認(rèn)知用戶需要進(jìn)行頻譜切換的時候，隨機(jī)感知當(dāng)前的可用信道，一旦確認(rèn)某信道可用，就切換到該信道上，次級用戶將在下一個新的時隙到來時開始數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)淇刂频哪康氖窃跒榇渭売脩舴峙湫诺赖耐瑫r，考慮整個次級網(wǎng)絡(luò)的連通,性，確保網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

三 共享模式,主用戶和次級用戶共享頻譜的方式大致可分為,interweave,，,overlay,和,underlay,三種基本模型,10,interweave,模型中，,PU,擁有使用頻段的絕對優(yōu)先權(quán)只要,PU,還在被授權(quán)的頻段上進(jìn)行信號傳輸，,SU,就不允許接入該頻段并且當(dāng),SU,利用某頻段進(jìn)行信號傳遞時，一旦,PU,訪問該頻段時，,SU,就必須立刻退出該頻段這種方式中，,SU,通過機(jī)會的檢測頻譜空穴進(jìn)行頻譜接入，可以有效的控制,SU,對,PU,的干擾下圖為,interweave,頻譜共享的示意圖SU,B1,B2,B3,B6,B7,頻譜帶,PU,PU,B1,B3,B6,B7,SU,B4,頻譜帶,underlay,模型中，,SU,可以接入授權(quán)頻段，不管,PU,是不是在訪問當(dāng)前頻段但是前提是要保證,PU,可以承受來自所有,SU,引起的干擾總和即所有次級用戶對,PU,的干擾總和要低于某個設(shè)定的門限在這種模式下雖然增加了,SU,接入授權(quán)頻譜的機(jī)會，但是缺少主用戶與次級用戶之間的交互，很難控制對主用戶的干擾下圖為,underlay,頻譜共享模型的示意圖PU,SU,B1,B2,B3,B6,B7,頻譜帶,overlay,模型旨在保護(hù),PU,的傳輸性能，即在保證,PU,能正常進(jìn)行信號傳輸?shù)那闆r下，,SU,可以利用該授權(quán)頻段進(jìn)行自身的信號傳輸，并不限制,SU,的發(fā)射功率。

通過協(xié)商合作，當(dāng),SU,和,PU,達(dá)成一致的協(xié)議后，,SU,可以充分意識到自己在團(tuán)隊中的的作用，并履行其應(yīng)該擔(dān)當(dāng)?shù)牧x務(wù)因此在這種,PU,和,SU,合作的背景下，次級的傳輸機(jī)會就不是隨機(jī)的了在這種模式中,SU,通過向,PU,提供某些特殊的服務(wù)來交換傳輸自己信號的機(jī)會形式有租用主用戶不經(jīng)常使用的頻譜段或者是中繼主用戶的通信等等下圖為,overlay,模式示意圖B1,B2,B3,B6,B7,頻譜帶,PU,SU,PU+SU,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋬?yōu)化和信道分配主要考慮以下幾個方面的問題：,1.,主用戶的信號發(fā)射功率和信號傳輸區(qū)域都遠(yuǎn)大于次級用戶，所以當(dāng),主用戶突然出現(xiàn)在當(dāng)前次級網(wǎng)絡(luò)正在使用的信道上時，多個次級用,戶的數(shù)據(jù)傳輸將會受到影響2.,次級用戶為了繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，需要嘗試其他的信道，這需要頻譜感,知，發(fā)現(xiàn)鄰居用戶和信道切換，還有次級用戶之間的信道爭用，這,會產(chǎn)生很多開銷和增加數(shù)據(jù)接收的時間延時3.,當(dāng)一個次級用戶進(jìn)行信道切換時，可能會造成他與鄰居節(jié)點(diǎn)沒有共,同的信道，而迫使鄰居節(jié)點(diǎn)也需要作出相應(yīng)的信道調(diào)整，進(jìn)而可能,會造成多個次級用戶的信道發(fā)生變化4.,主用戶出現(xiàn)在任何一個授權(quán)信道上都是隨機(jī)的，由于這種主用戶出,現(xiàn)的不確定性，可能會對整個次級網(wǎng)絡(luò)的整體性能產(chǎn)生影響。

四 基本模型,1,、圖著色模型,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，主用戶的出現(xiàn)和其對信道的釋放是隨機(jī)的,次級用戶周期在性檢測到的信道可用情況是不斷發(fā)生變化的為了便于分析，我們通常假設(shè)在一次信道分配過程中次級用戶檢測到的可用信道是不變的，為了避免干擾，信道的分配需要滿足下面的限制條件：,a.,信道的檢測結(jié)果是是完全正確的，即當(dāng)前次級用戶檢測到的所有可用信 道和主用戶未占用的信道是完全匹配的b.,次級用戶可以分配相同的信道，但是要保證它們不在相互的干擾范圍內(nèi)，并且發(fā)送功率不能超過一定的限制代表信道,在這些限制條件下，次級用戶信道的分配發(fā)生沖突時，信道分配,問題,可轉(zhuǎn)化為圖著色問題,11-14,在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，設(shè),是節(jié)點(diǎn)集合，,是信道分配相互沖突的關(guān)聯(lián)邊矩陣，,網(wǎng)絡(luò),可以抽象為一個沖突圖,其中,用戶的總數(shù)、,為信道分配沖突關(guān)聯(lián)邊矩陣、,為信道可用狀態(tài)矩陣是信道可用狀態(tài)矩陣則認(rèn)知無線電,為認(rèn)知,傳統(tǒng)圖著色問題是為沖突圖里的頂點(diǎn),進(jìn)行著色，使得任意,兩個相鄰的頂點(diǎn)著以不同的顏色目標(biāo)最大化頻譜利用,代表次級用戶,和次級用戶,不能同時用信道,被分配給了次級用戶,2.,博弈論模型,博弈論模型適合分析認(rèn)知無線電中各用戶競爭頻譜的分布式行為。

次級用戶之間單獨(dú)感知頻譜信息，自己做出決策假設(shè)分布式的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)有,個發(fā)射,-,接收對組成認(rèn)知節(jié)點(diǎn)是固定的，假設(shè)共有,次級用戶有相同的行動集合和效用函數(shù)用信干比表示信道干擾的情況：,其中,為發(fā)射機(jī)功率,，,為發(fā)射機(jī),與接收機(jī),之間的鏈路增益和,和發(fā)射對個信道可用，,是同一個接收,則根據(jù)上述假設(shè)信道分配可以轉(zhuǎn)化成一個博弈論模型,15-17,記,，其中,代表次級用戶的集合，,是認(rèn)知用戶,策略集合，,是效用函數(shù)集合，它是,和當(dāng)前對手,是找出,對任何用戶都不會偏移的收斂點(diǎn)，即納什均衡點(diǎn)當(dāng)且僅當(dāng),，,策略,為納什均衡目的就,3.,拍賣競價模型,次級用戶是投標(biāo)者，中心頻譜管理器為競拍人，以最大化網(wǎng)絡(luò)收益為目標(biāo)，按照贏家決策的原則分配可用信道資源,18-20,決策一般包括采用最大化系統(tǒng)吞吐量原則將某段頻譜分配給在其上吞吐量拍賣值最大的用戶，利用效用公平原則和時間公平原則保證投標(biāo)者在競爭過程中的效用公平和時間公平該模型的特點(diǎn)：,1.,用戶之間是自私的，非合作的2.,分配算法需要合理的執(zhí)行時間和計算開銷3.,信令開銷小的,五 文獻(xiàn)總結(jié),文獻(xiàn),21-23,研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中每個次級用戶只裝配一個無線接口的頻譜接入問題。

21,說明了信道分配問題是,NP,難問題23,在考慮到頻譜分配和數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下讓存在競爭的次級用戶接入所有可用信道的總數(shù)據(jù)傳輸速率最大化，形成了一個整數(shù)線性規(guī)劃問題（,ILP,）限制條件是,:,1.,每個次級用戶只有一個收發(fā)器,2.,收發(fā)器在一個給定的時隙內(nèi)只能利用一個信道,3.,同一個信道不能同時被分配到多于一個次級用戶,4.,只有當(dāng)次級用戶接收到信道,的信噪比（,SINR,）大于預(yù)先設(shè)定的界限,次級用戶才可以接入該信道時，,5.,次級用戶,在空閑信道,的傳輸功率,6.,一個源接收點(diǎn)不能同時接收多于一個源發(fā)送點(diǎn)的數(shù)據(jù),令,，則最大化總傳輸速率問題可化為為下面的優(yōu)化問題,該問題為混合非線性整數(shù)規(guī)劃問題（,MINLP,），是一個,NP,難問題在實(shí)際有限的空閑信道和最大化傳輸功率的條件下，可以計算出每個次級用戶,在空閑信道,最大可獲得的傳輸速率,該優(yōu)化問題可以很容易解決上述問題就簡化為,0-1,線性規(guī)劃問題，,這種單個收發(fā)器的模型可以適用于分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，但是在集中式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，一旦該接口處正在使用的信道被主用戶占用，那次級用戶就不得不中斷數(shù)據(jù)的發(fā)送，對整個網(wǎng)絡(luò)性能影響很大文獻(xiàn),24,基于建立健壯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和最小化信道干擾的前提下，提出了多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的,CRTCA,（,centralized robust topology control algorithm,）和,DRTCA,（,distributed robust topology control algorithm,）的集中式和分布式的健壯的拓?fù)淇刂扑惴ā?/p>

2,，,4,B,A,C,D,E,F,1,，,4,1,，,2,1,，,3,3,，,4,3,，,4,4,2,1,1,3,3,3,4,圖,1(a),非健壯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信道分配圖,1(b),健壯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信道分配（,CRTCA,）,B,A,C,D,E,F,1,，,4,1,，,2,1,，,2,1,，,3,2,，,3,4,2,1,1,2,1,3,2,2,，,4,該模型假設(shè)每個次級用戶有兩個無線接口，但是某一時刻只能利用一個信道傳輸或接收數(shù)據(jù)在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個次級用戶分配兩個信道圖,1,（,a,）當(dāng)信道,1,或,3,被主用戶占用時，網(wǎng)絡(luò)就被分成兩部分，,CRTCA,信道選擇法則選擇接入次數(shù)最少的信道，并且給潛在可能產(chǎn)生分區(qū)的鏈路分配反饋信道，保證了網(wǎng)絡(luò)的連通性這樣一旦某信道被主用戶占用，次級用戶可以切換到另一信道上通過其他路徑進(jìn)行源目節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸令,文獻(xiàn)把圖,劃分成,個子圖,代表節(jié)點(diǎn),邊,是否可以,利用信道,，若可以則為,1,，否則為,0,令,分別代表源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，,是邊,上的數(shù)據(jù)流，,是無線接口個數(shù)，,是與,相臨的鏈路的集合；,是與,鄰近的節(jié)點(diǎn)結(jié)合代表不包括,的信道集合；,為干擾鏈路對的集合。

則健壯拓?fù)錁?gòu)建問題可以表示為下列優(yōu)化模型：,健壯性限制約束：,這是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，本文通過二進(jìn)制變量把它轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題進(jìn)而可以求的其解這種方法在單個主用戶某一時間間隔只回收一個信道的情況下可以很好的實(shí)現(xiàn)最小干擾的信道分配和健壯的拓?fù)錁?gòu)建，但是這種方法并未考慮到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中會有多個主用戶，也可能存在多個信道被主用戶占用的情況這種情況下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕研孕枰M(jìn)一步考慮文獻(xiàn),31,分別給出了三種信道選擇的算法：,1,、基于節(jié)點(diǎn)的信道選擇算法：該算法只需要節(jié)點(diǎn)的局部信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息 隨機(jī)分配信道，但是它沒有考慮同一條鏈上的兩個節(jié)點(diǎn)間的信道分配的調(diào)節(jié)，效率低2,、基于鏈路的信道選擇算法：該算法把每條鏈路看成一個點(diǎn)，構(gòu)建沖突圖，并且給出了沖突解決方案但是沒有考慮到鏈路分配信道的優(yōu)先級別，所以效率也不太高3,、基于節(jié)點(diǎn)和鏈路的信道選擇算法：考慮到節(jié)點(diǎn)和鏈路的優(yōu)先級，需要知道節(jié)點(diǎn)的兩跳信息減小了算法步驟的循環(huán)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效的信道分配六 后期工作,1,、已有文獻(xiàn)大都研究單個,PU,存在時，,SU,的資源分配對拓?fù)溥B通性的影響，,接下來將分析在多個,PU,存在時的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的連通性；,2,、在研究網(wǎng)絡(luò)。