基于延时控制的动态频谱共享系统.docx

510152025303540基于延时控制的动态频谱共享系统张典，陈军权，胡青松（中国矿业大学物联网研究中心，中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，221000）摘要:认知无线电作为一种动态的频谱接入技术，旨在不影响主用户的前提下，提高频谱利用率，本文通过分析传播延时对主用户造成的影响，提出了一种基于延时控制的解决方案.结合认知用户和主用户在无线通信信道中的传输特性，在AdhoC节点中加入延时时间判决器，以减小认知用户对主用户的干扰.仿真实验表明，加入延时时间判决器后，改善了主用户的信道拥挤和数据包丢失状况，主用户的通信质量得到了提高。关锺词：认知无线电；AdhoC网络；频谱共享；延时中图分类号：TN92DesignofpropagationcontrolfordynamicspectrumsharingcommunicationsystemZHANGDian,CHENJunquan,HUQingsong（ResearchCentreoftheInternetofThings,SchlofInformation&ElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,JiangSuXuZhou221000）Abstract:Cognitiveradioasakindofdynamicspectrumsharingcommunication,aimedatenhancethespectrumutilizationattheprimesoflittleofaffectiontotheprimaryuser.Thispaperproposesakindofdesigntosolvetheaffectionthroughtheanalysisofthepropagationdelay.Combinewiththecharacteristicsofthechannel,weaddadelayarbitertoreducetheaffectionformrecognizeuser.Thesimulationresultshows（hatthroughthedelayarbiter,weenhancethepropertiesOftheprimaryusers.Keywords:cognitiveradio;Adhoc;spectrumsharing;propagationdelay0引言随着无线电行业的发展与无线通信业务量的不断扩大，频谱资源在无线电技术中也越来越珍贵，一方面，可供分配的频谱资源越来越少，另一方面，频谱利用率较低.认知无线电作为一种动态的频谱共享技术，能够有效地降低频谱资源以及带宽对无线通信的限制，提高频谱利用率UL面对日益短缺的频谱资源，美国联邦通信委员会采取新的政策鼓励动态接入利用率低的频谱E,通过检测以及使用未被利用的或者利用率较低的频谱资源，提高频谱资源的利用率。文献【3】FanWang提出了一种分布式的频谱共享系统，通过PlWF算法（aprice-basediterativewater-filling）的分布式代价策略解决了频谱共享中吞吐量低和能量效率低的问题文献【4】YThomasHou解决了多跳频谱共享网络的MINLP（混合整数非线性规划）问题，提高了认知用户无线网络接入效率。文献【5】吴春德指出，BFP（bandwidth-footprint-ProdUCt）是衡量频率和空间综合利用率的-个重要指标，通过找出BFP的最小值，可以寻找到最优的频带分配和选择方案。这些策略都是基于认知用户不考虑信道拥挤和用户数据包丢失的情况而提出的改进算法。然而，文献【6】中Amitabh.M指出频谱共享方案中的主用户和认知用户不能保持时间同步会造成主用户出现信道数据拥挤和数据包丢失等问题。在此基础上，本文结合无线通信的信道传输特性和主用户节点以及认知用户节点的情况,提出了种用作者简介：张典（1988-）,女，硕士研究生，主要研究方向：认知无线电通信联系人：胡青松（1978-）,男，硕士研究生导师，主要研究方向：认知无线电.E-mail:Adhoc节点延时判断控制的动态频谱共享策略解决认知用户对主用户由于时间同步引起的干扰问题，缓解r信道拥挤和主用户数据包丢失的情况。1系统模型1.1 认知无线电频谱共享网络模型ASN（dhocSecondaryNetWork）网络中的移动节点通过GSM（GlObalSystemofMobileCommUniCation）实现与基站的网络通信.GSM系统是用于实现移动节点和基站之间的通信，数据在信道传输的过程中，主要是通过上行时隙和下行时隙进行数据传输，其中，上行时隙是用户终端为获得通信时隙而进行随机访问的时隙，下行时隙是对上行时隙的状态进行应答。Adhoc节点在GSv网络通过单跳或者多跳实现通信，Adhoc网络中，每个节点都配置一个收/发信道机，通过收/发信道机，节点对信道的状态实行实时的监控。通过接受ACK信号或者接受到信道中的超时信号，节点对信道的可用性进行判断，以此利用空闲的信道。我们考虑由12个认知用户构成的Adhoc网络，整个网络中总的频带总数为M=I0。在无线通信的工作过程中，存在传播延迟。而在频谱共享系统中，时隙的传输存在三种延迟，分别是：基站到移动节点的传播延迟Ta"，基站到Adhoc节点的传播延迟TfiA和移动节点到Adhoc节点传播延迟Jm。根据传播延迟的判断，分以下三种情况：（1）当T4+J"-7.>0时，移动节点正常通信；（2）当TjM+Jm-Zbm=0时，移动节点正常通信；（3）当TBA+7仙-T8,"<0时，移动节点信息延时或者丢失。如图2所示，假设tb+Tam<rj8，当移动节点和AdhoC节点同时需要传送数据时，下行时隙首先到达Adhoc节点，当dhoc传送的数据到达移动节点时，下行时隙还未到达移动节点，此时移动节点必须等到下一个时隙再次请求发送。本文考虑的Adhoc网络共有12个Adhoc节点，它们之间利用dijkstra路由算法o当节点需要传输数据时，通过dijkstra路由算法寻找最短路径。图1频谱共享网络示意图图2延时通信分析图Fig.1spectrumsharingnetworkFig.2propagationdelayanalysis1.2 通信传输距离分析信号在无线信道传输的过程中，是会受到一定的损耗的，且信号的频率不同，损耗的程455055606570度也不一样。在通常的情况下，信号的频率越高，损耗也就越大。因此，在信号发射功率一7580859095定的情况下，发射的范围也就受到了限制。本文将采用以下的功率增益模型:其中，g是功率的增益系数，b是频带的传播系数，d是两节点之间的距离，n是路径损耗指数。假设节点发射的最大功率为P,则接受端的功率Pr为：当接收端接受功率为时，说明数据传输成功。因此要满足数据的发送成功，必须满足以下条件：bPP>a,>a(3)d由式(1)(2)(3)可知，节点之间的传输距离必须满足：f(P、2AdhOC节点延时时间判决器信号在无线信道传输的过程中，是会受到一定的损耗的，且信号的频率不同，损耗的程度也不一样。在通常的情况下，信号的频率越高，损耗也就越大。因此，在信号发射功率一定的情况下，发射的范围也就受到了限制。本文将采用以下的功率增益模型：其中，g是功率的增益系数，b是频带的传播系数，d是两节点之间的距离，n是路径损耗指数。假设节点发射的最大功率为P.则接受端的功率Pr为：假设接受端接受功率为时，数据传输才能成功。则若要满足数据的成功发送，必须满足以下条件：Pf>a那么，节点之间的传输距离必须满足：d<2Adhoc节点延时时间判决器通过2.1节认知无线电频谱共享网络模型的分析，可以看出当Tzm+源"-小"<0时，移动节点所请求发送的数据会产生延时和去失，对主用户的使用造成严重的影响。为解决这100个问题，本文在Adhoc节点中加入了延时时间判决器。首先，由Adhoc节点的收/发机采集自身节点与移动节点间的距离"am。然后，根据通信传输距离公式计算出满足两个节点之间通信的临界距离d。最后，由延时时间判决器进行判断，它的延时因子参数T为:其中，c=3.0xl0>"s,4AM为AdhoC节点到移动节点的距离。105当<wWd时，该延时时间判决器开始工作，AdhoC节点上的数据延时时间后再发送到移动节点上，通过该延时判决器，避免了Adhoc的节点数据对移动节点的干扰，保证了主用户的通信质量。该延时时间判决器的流程图如图3所示。图3延时时间判决器流程图110Fig.3thedelayarbiter3仿真结果移动节点呼叫失败率为："呼叫失败总数呼叫总数×1(X)%.在本系统中，移动节点总数为N(M=100,AdhoC节点数目为Mw=I2,频带总数为M=I0,那么，在GSM系统中，移动节点的上限呼叫总数为Nmsr=80。115采用延时判决器前，主要由%“，r,4w决定移动节点的呼叫失败率。如错误:未找到引用源。所示，在采用延时判决器前，在移动节点呼叫总数在不断增长的情况吟移动节点的呼叫失败率集中在13%以下，也就意味着由于AdhoC节点对移动节点的影响，100个移动节点中将会有13个呼叫失败。采用延时判决器后，除了"，b,dAM,有延时判决器产生的延时因子r也会影响120移动节点的呼叫失败率。如错误!未找到引用源.所示，此时移动节点呼叫失败率集中在6%以下，即采用延时判决器后，移动节点的呼叫失败率降低了7%,由此可见，通过在GSM和Adhoc共享的网络中加入延时判决器可以降低Adhoc网络对GSM网络的膨响，提高了移动节点的通信质量。采用IS时判决HSl4 2 16 6 IIaaa O O O O 伸胃4KW含*P毋«wfi10203040506070809010203040506070809010O采用SJ时判决BL后125图4采用延时判决器前图5采用延时判决器后Fig4.beforethearbiterFig5.afterthearbiter4结论本文研究了频谱共享系统中传播延时对主用户造成的影响，提出了-一种将延时控制加入频谱共享系统的方案。通过在认知用户中加入延时判决器，认知用户可以动态地感知节点之130间的动态距离，减小认知用户对主用户的信道占用干扰影响，提高了频谱共享系统中主用户的呼叫成功率。参考文献I(ReferenCeS)1 ZHAOQing,SADLERB.AsurveyofdynamicspectrumaccessJ.IEEESignalProcessingMagazine,2007.4：79-801352FCC.Facilitatingopportunitiesforflexible,efficient,andreliableSpeclruniuseemployingcognitiveradioteehnologiesZ.223 FanWang,KrunzM.ShuguangCui.spectiumsharingincognitiveradionetworksM,2008.1885-18924 Y.T.Hou,YiShi,H.D.Sherali.SpcclrumSharingforMulti-HopNetworkingwithCognit