《認(rèn)知無(wú)線電的拓?fù)淇刂婆c信道分配PPT課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《認(rèn)知無(wú)線電的拓?fù)淇刂婆c信道分配PPT課件（26頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、西安電子科技大學(xué),西安電子科技大學(xué),*,*,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì),FCC,的研究報(bào)告,1,指出，頻譜使用率隨時(shí)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(zhǎng)期空閑狀態(tài)，甚至部分頻譜沒(méi)有被占用。下圖為某一時(shí)間美國(guó)紐約的頻譜使用情況分布圖。,認(rèn)知無(wú)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(méi)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(jí)利用”，作為一種能感知周?chē)鸁o(wú)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

2、參數(shù)的無(wú)線通信方式,認(rèn)知無(wú)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(wú)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中存在兩類(lèi)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(jiǎn)稱,PU),和次級(jí)用戶,(second user,簡(jiǎn)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(duì)優(yōu)先權(quán)。次級(jí)用戶具有實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)刻授權(quán)頻譜處于空閑狀態(tài)，沒(méi)有被主用戶占用時(shí)，次級(jí)用戶就可以接入這段

3、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(jí)用戶機(jī)會(huì)式的接入授權(quán)頻譜的方式又稱為動(dòng)態(tài)頻譜接入,(dynamic spectrum access,簡(jiǎn)稱,DSA)3,。動(dòng)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(dòng)態(tài)頻譜接入示意圖。,信道分配的目的是為次級(jí)用戶分配適合自己業(yè)務(wù)傳輸?shù)男诺馈?信道分配,策略主要有兩類(lèi),:,（,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(duì)他們進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷（可以考慮信道質(zhì)量，信道空閑時(shí)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(jí)用戶正在使用的信道時(shí)，次級(jí)用戶從預(yù)留信

4、道中選擇優(yōu)先級(jí)最高的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。,（,2,）即時(shí)（,reactive,）策略：在認(rèn)知用戶需要進(jìn)行頻譜切換的時(shí)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(jí)用戶將在下一個(gè)新的時(shí)隙到來(lái)時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。,拓?fù)淇刂频哪康氖窃跒榇渭?jí)用戶分配信道的同時(shí)，考慮整個(gè)次級(jí)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(jí)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(duì)優(yōu)先權(quán)。只要,PU,還在被授權(quán)的頻段上進(jìn)行信號(hào)傳輸，,SU,就不允許接入該頻段。

5、并且當(dāng),SU,利用某頻段進(jìn)行信號(hào)傳遞時(shí)，一旦,PU,訪問(wèn)該頻段時(shí)，,SU,就必須立刻退出該頻段。這種方式中，,SU,通過(guò)機(jī)會(huì)的檢測(cè)頻譜空穴進(jìn)行頻譜接入，可以有效的控制,SU,對(duì),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(wèn)當(dāng)前頻段。但是前提是要保證,PU,可以承受來(lái)自所有,SU,引起的干擾總和。即所有次級(jí)用戶對(duì),PU,的干擾總和要低于某個(gè)設(shè)定的門(mén)限。在這種模式下雖然增加了,SU,接入授權(quán)頻譜的機(jī)會(huì)，但

6、是缺少主用戶與次級(jí)用戶之間的交互，很難控制對(duì)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(hào)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(hào)傳輸，并不限制,SU,的發(fā)射功率。通過(guò)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(shí)到自己在團(tuán)隊(duì)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(jí)的傳輸機(jī)會(huì)就不是隨機(jī)的了。在這種模式中,SU,通過(guò)向,PU,提供某些特殊的服務(wù)來(lái)交換傳輸自己信號(hào)的機(jī)會(huì)。形式有

7、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(wú)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(gè)方面的問(wèn)題：,1.,主用戶的信號(hào)發(fā)射功率和信號(hào)傳輸區(qū)域都遠(yuǎn)大于次級(jí)用戶，所以當(dāng),主用戶突然出現(xiàn)在當(dāng)前次級(jí)網(wǎng)絡(luò)正在使用的信道上時(shí)，多個(gè)次級(jí)用,戶的數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)受到影響。,2.,次級(jí)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(jí)用戶之間的信道爭(zhēng)用，這,會(huì)產(chǎn)生很多開(kāi)銷(xiāo)和增加數(shù)據(jù)接收的時(shí)間延時(shí)。,3.,當(dāng)一個(gè)次級(jí)用戶進(jìn)行信道切換時(shí)，可能會(huì)造成他與鄰居節(jié)點(diǎn)

8、沒(méi)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(huì)造成多個(gè)次級(jí)用戶的信道發(fā)生變化。,4.,主用戶出現(xiàn)在任何一個(gè)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(huì)對(duì)整個(gè)次級(jí)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，主用戶的出現(xiàn)和其對(duì)信道的釋放是隨機(jī)的,次級(jí)用戶周期在性檢測(cè)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(guò)程中次級(jí)用戶檢測(cè)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(cè)結(jié)果是是完全正確的，即當(dāng)前次級(jí)用戶檢測(cè)到的所有可用信 道和主用戶未占用的信道是完全匹配

9、的。,b.,次級(jí)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(guò)一定的限制。,代表信道,在這些限制條件下，次級(jí)用戶信道的分配發(fā)生沖突時(shí)，信道分配,問(wèn)題,可轉(zhuǎn)化為圖著色問(wèn)題,11-14,。在認(rèn)知無(wú)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(gè)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(wú)線電,為認(rèn)知,傳統(tǒng)圖著色問(wèn)題是為沖突圖里的頂點(diǎn),進(jìn)行著色，使得任意,兩個(gè)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(jí)用戶,和次級(jí)用戶,不能同時(shí)用信道,。,被分配給了次級(jí)用戶,

10、。,2.,博弈論模型,博弈論模型適合分析認(rèn)知無(wú)線電中各用戶競(jìng)爭(zhēng)頻譜的分布式行為。次級(jí)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)有,個(gè)發(fā)射,-,接收對(duì)組成。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)是固定的，假設(shè)共有,次級(jí)用戶有相同的行動(dòng)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(duì)。,個(gè)信道可用，,是同一個(gè)接收,則根據(jù)上述假設(shè)信道分配可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)博弈論模型,15-17,。,記,，其中,代表次級(jí)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(duì)手,是找出,對(duì)任何用戶都不會(huì)偏移的收斂點(diǎn)，即納什均衡點(diǎn)。當(dāng)且僅當(dāng),，,

11、策略,為納什均衡。,的函數(shù)。目的就,3.,拍賣(mài)競(jìng)價(jià)模型,次級(jí)用戶是投標(biāo)者，中心頻譜管理器為競(jìng)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(mài)值最大的用戶，利用效用公平原則和時(shí)間公平原則保證投標(biāo)者在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中的效用公平和時(shí)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(shí)間和計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。,3.,信令開(kāi)銷(xiāo)小。,的,五 文獻(xiàn)總結(jié),文獻(xiàn),21-23,研究了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)次級(jí)用戶只裝配一個(gè)無(wú)線接口的頻譜接入問(wèn)題。,21,說(shuō)明了信道分配問(wèn)題是,NP,難問(wèn)題。,2

12、3,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(jìng)爭(zhēng)的次級(jí)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(gè)整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題（,ILP,）。限制條件是,:,1.,每個(gè)次級(jí)用戶只有一個(gè)收發(fā)器,2.,收發(fā)器在一個(gè)給定的時(shí)隙內(nèi)只能利用一個(gè)信道,3.,同一個(gè)信道不能同時(shí)被分配到多于一個(gè)次級(jí)用戶,4.,只有當(dāng)次級(jí)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(jí)用戶才可以接入該信道。,時(shí)，,5.,次級(jí)用戶,在空閑信道,的傳輸功率,6.,一個(gè)源接收點(diǎn)不能同時(shí)接收多于一個(gè)源發(fā)送點(diǎn)的數(shù)據(jù),令,，則最大化總傳輸速率問(wèn)題可化為為下面的優(yōu)化問(wèn)題,該問(wèn)題為混合非線性整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題（,MINLP,），是

13、一個(gè),NP,難問(wèn)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(jì)算出每個(gè)次級(jí)用戶,在空閑信道,最大可獲得的傳輸速率,該優(yōu)化問(wèn)題可以很容易解決。,，上述問(wèn)題就簡(jiǎn)化為,0-1,線性規(guī)劃問(wèn)題，,這種單個(gè)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(jí)用戶就不得不中斷數(shù)據(jù)的發(fā)送，對(duì)整個(gè)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的,CRTCA,（,centralized robust topology control algorithm,）和,DRTCA,（,dist

14、ributed robust topology control algorithm,）的集中式和分布式的健壯的拓?fù)淇刂扑惴ā?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(gè)次級(jí)用戶有兩個(gè)無(wú)線接口，但是某一時(shí)刻只能利用一個(gè)信道傳輸或接收數(shù)據(jù)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個(gè)次級(jí)用戶分配兩個(gè)信道

15、。圖,1,（,a,）當(dāng)信道,1,或,3,被主用戶占用時(shí)，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(jí)用戶可以切換到另一信道上通過(guò)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(gè)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(wú)線接口個(gè)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(duì)的集合。,則健壯拓?fù)錁?gòu)建問(wèn)題可以表示為下列優(yōu)化模型：,

16、健壯性限制約束：,這是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，本文通過(guò)二進(jìn)制變量把它轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)而可以求的其解。這種方法在單個(gè)主用戶某一時(shí)間間隔只回收一個(gè)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有多個(gè)主用戶，也可能存在多個(gè)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(méi)有考慮同一條鏈上的兩個(gè)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(gè)點(diǎn)，構(gòu)建沖突圖，并且給出了沖突解決方案。但是沒(méi)有考慮到鏈路分配信道的優(yōu)先級(jí)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(jí)，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(gè),PU,存在時(shí)，,SU,的資源分配對(duì)拓?fù)溥B通性的影響，,接下來(lái)將分析在多個(gè),PU,存在時(shí)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的連通性；,2,、在研究網(wǎng)絡(luò)