认知无线电中基于QoS分级的频谱分配策略

＝
，
３ 基于 Ｑ Ｓ ｏ 分级的频谱分配策略
３ 频谱分岛模型 ． １
认知无线 电频谱分配模型＿由可用频谱矩 阵 三 ４ Ｊ 、效益矩 阵 、干扰约束矩阵 Ｃ和无干扰分配矩阵 描述 。假定在一
Ｘ， ｝ ２…，。
（） ２
其 中， 代表 时延 ； 代表延时抖动 ； 代表第 种评判指标 ｚ
目的 。
频谱 ，本文提出对小 区中的用户进行 Ｑ Ｓ级别判定的思想 ， ｏ
通过对用户进行 Ｑ Ｓ级别模 糊判决后 ，能得 到用户接入优先 ｏ 级顺序和用户接入的标准 。 对认知用户的 Ｑ Ｓ进行级别判定时，涉及到 时延、延 时 ｏ
频谱分配是认知无线 电技术 的核心部分。近年来，很 多
第 ３ 卷 第 １ ８ ０期
Ｖ０ ． １ ３８
Ｎｏ．０ １
计
算
机பைடு நூலகம்
工
程
２１ ０ ２年 ５月
Ｍ ａ ２ ２ ｙ ０１
Ｃｏ ｍｐｕ ｅ ｔ ｒＥｎｇｎｅ ｒｎ ｉ ｅｉｇ
・网络 与通 信 ・
文章编号： ００ ３２（ １１＿９—ｏ ｌ０— ４８０２ ０＿ ２＿ ２ ）．ｏ ＿３
个无线蜂窝系统中，共有 Ⅳ个认知用户 ，编号为 ０Ⅳ一 ，检 ～ １ 测 出的可用空闲频谱数为 Ｍ，编号为 Ｏ Ｍ一 。分配模型描述 ～ １
如下 ：
等，其 中ｊ ｌ ， ｇ ＝ ， …，。 ２
因每种业务对 Ｑ Ｓ中的指标集 要求不一样 ， ｏ 如语音和视 频实 时性高 ，对时延及延时抖动要求很严 ；而数据业务要求
ｗｉ ｏｌｂ ｒｔ ｅＭ ａ ｕ Ｂａｄ ｄｈＣ Ｂ ｌｏｉ ｍ． ｉ ｌｔ ｎ ｅｐｒ ｎａ ｒｓｌ ｅ ｎｔ ｔ ｔａ ｅｐｏ ｏｅ ｐ ｃ ｕ ａｌｃｔ ｎ ｔ Ｃ ｌ ｏａｖ ｘ Ｓ ｍ ｎ ｗｉｔ（ ＭＳ ）ａｇ ｒ ｈ ａ ｉ ｈ ｔ Ｓｍｕａｉ ｘ ｅｉ ｔｌ ｅｕｔ ｄｍｏｓ ａｅ ｈ ｔｈ ｒｐ ｓｄｓｅｔ ｍ ｌ ａｉ ｏ ｍｅ ｓ ｒ ｔ ｒ ｏ ｏ ｓ ａｅｙｃｎｍｅｔ ｅＱ Ｓｄｍａ ｄ ｆ ｏ ｉｖ ｓｒ，ｎ ｓｒ ｅ ｉｈｒ ｙｔｍ ｒｕ ｈ ｕ ｎ ｃｅｓ ａ ｎ ｓ． ｒ ｔ ｔｇ ａ ｅ ｏ ｅ ｎ ｓ ｃｇ ｔ ｅ ｅｓａｄｅ ｕｅｔ ｇ ｅ ｓ ｔ ｏ ｇ ｐ ｔ ｄａｃｓ ｉ ｅｓ ｈ ｔ ｏ ｎ ｉ ｕ ｎ ｈｈ ｓ ｅ ｈ ａ ｆｒ
ｓｅｔ ｍ ｌ ｃｔ ｎｓ ａ ｇ ａｅ ｎＱｕ ｌ ｆ ｅｖｃ （ Ｓ ｇａ ｉｇｉ ｏｎｔ ｅｒｄｏ Ｉｃ ｎｔ ｃｓ ｏ ｒｈｎ ｉｅｄｃｓ ｎｍｏ ｅ ｗｈｃ ａ ｐ ｃｒ ａｌ ａｏ ｔ ｔ ｙｂ ｓｄｏ ａｉ ｏ ｒｉｅＱｏ ） ｒｄｎ ｃｇ ｉｖ ａｉ．ｔ ｏ ｓｕ ｔ ａｃｍｐｅ ｅ ｓ ｅｉｏ ｄ ｌ ｉｈｃｎ ｕ ｏ ｉ ｒｅ ｔ ｙ Ｓ ｎ ｉ ｒ ｖ ｉ ｄｓｒ ｎ ｔ ｔｅｃ ｇ ｉｖ ｓｒ’ Ｓｌ ｅ ｃｏｄｎ ｅｒ ｕｉｅｓｔｐ ｓＩｅ ｌｙ ｅｓｅｔ ｍ ｌ ｃｔ ｎｆｒｃｇ ｉｖ ｕｔｍｅｓｃｍｂｎｄ ｉ ｉ ａｅｈ ｏ ｔ ｅｕｅｓＱｏ ｖ ｌ ｃｒｉｇｔ ｔ ｉｂ ｓ ｓ ｅ．ｔ ｍｐｏ ｓｔ ｐ ｃ ｕ ａｌ ａｏ ｏ ｏ ｎｔ ｅｃ ｓ ｃ ｍｉ ｎ ｉ ｅ ａ ｏｈ ｎ ｙ ｈ ｒ ｏ ｉ ｉ ｏ ｒ ｏ ｉｅ
文献标识码： Ａ
中圈 分类号： Ｐ９ Ｔ３３
认知 无 线 电中基于 Ｑｏ Ｓ分级 的频谱 分 配策略
朱冰莲 ，裴光术 ，张 磊 ，何志光 ，卢 顾
（ 重庆大学通信 工程学院，重 庆 ４ ０ ４ ） ０ ０ ４
摘
要 ：为提 高认 知无线 电中的系统吞 吐量 ，保证频谱分配的公平性 ，提 出一种基于服务质量（ ｏ） Ｑ Ｓ分级 的频谱分配策 略。建立模糊 综合
Ｓ ｅ ｔ ｕ Ａｌｏ ａ ｉ ｎ Ｓ ｒ ｔ ｇ ｐ ｃ ｒ ｍ ｌ ｃ ｔｏ ｔ ａ ｅ ｙ
Ｂａｅ ｎＱ０ ａ ｉｇｉ ｇ ｉ ｖ ｄｏ ｓｄ０ ＳＧｒ ｄｎ Ｃｏ ｎｔ ｅＲａ ｉ ｎ ｉ
ＺＨＵ ｎ －ｉ ｎ ＰＥ ａ ｇ ｓ ｕ ＺＨＡＮＧ ｉ ＨＥ Ｚｈ － ｕ ｎ ， Ｂｉ ｇ ｌ ， ＩＧｕ ｎ － ｈ ， ａ Ｌｅ， ｉｇ ａ ｇ ＬＵ ｏ Ｈａ
ＤＯＩ １．９ ９ ．ｓ．０ ０３ ２ ．０ ２１．２ ： ０３ ６ ０ｉ ｎ１ ０ —４ ８２ １．００ ７ ｓ
ｌ 概述
随着人们对无线通信业务需求 的增长 ，可供利用的频谱
资源 日益紧张。认 知无线 电是一种智能无线通信 系统 ，它能
输等 。 同的业务在传输 时对 时延、 时抖动、 不 延 误码率等 Ｑｏ Ｓ
判决模型 ，根据认知用户的业务类型判别其 Ｑ Ｓ级别 ，应用 Ｃ Ｂ信道分配算法进行频谱分配。仿真实验结果表 明，该频谱分配策 略能 ｏ ＭＳ 在满足认知用户 Ｑ Ｓ ｏ 需求的同时 ， 证较高 的系统吞 吐量和接入公平性 。 保
关幢词 ：认知无线 电；频谱分配 ；服务质量 ；系统吞 吐量 ；公平性
的研究者对频谱 分配进行 了深入研究。文献［】 １提出一种 以最 大 化总带宽 为 目标 的信道分 配算法－ － Ｃ Ｂ Ｃ ｌ ｂ ｒｔ ｅ － ＭＳ （ ｏｌ ｏａ ｖ ａ ｉ Ｍａ ｕ ａｄ ｉｔ） ｘＳ ｍ Ｂ ｎ ｗ ｄｈ，考虑系统的总频谱效 用，保证了系统
的吞 吐量 。 献［］ 文 ２在文献［】 １的基础上提 出了一种基于 自适应
２２ 模型分析 ． 模糊综合判决是一种 以模糊数学为基础 ，应 用模糊关 系
合 成的原理 ，将一些不易定量的因素量化以进行 综合 判决 的
方法。本文 引用模糊判决原理对认 知用户进行 Ｑｏ Ｓ分级 ，模 糊判决模型如 图 １ 所示。
种 自适应切换算法 ，引入 了 Ｃ ＦＣ ｌ ｂ ｒｔ ｅ ｘＰ ｏｏ— ＭＰ （ ｏｌ ｏａｉ ｒｐ ｒ ａ ｖ Ｍａ ｔ ｎｌＦ ｉ算法 ，通过 Ｃ Ｂ和 Ｃ Ｆ的 自适应切换 ，保证 ｉ ａ ａ） ｏ ｒ ＭＳ ＭＰ 系统 的高带宽收益和用户接入的公 平性 ，但公平性效果不明 显 ，也不能较好地保证认 知用户 的 Ｑ Ｓ ｏ 。在 上述研究 的基础 上 ，本文提 出一种基于 Ｑ Ｓ分级的频谱分配策略 。 ｏ
基本原理 阐述如下 ： （） １业务类型的分类 在无线蜂窝网络 的小 区中，认知用户传输的业务类型有
图 ２ 指标评分示意 图
结合 各判决指标对每种业务 的认知用户的权重系数和评
分结果 ，最终获得 的模糊判决矩阵为 ：
Ｖ２ ， ｌ １
，
多种 ，如语音 、视频、数据等 。综合判决模型的第 １层是对
遗传算法 的频谱分配方法 ，优化 了系统 的分配性能 ，实现 了 系统效益 的最大化。但文 献［－】 １２都存在一个共同的问题，即
认 知用户接入 的公平性很低 ，无法保证认知用户的服务质量 （ ｕｌｙｏ ｅｖｃ， Ｓ 。文献［】 Ｑ ａｉ ｆＳｒｉｅ Ｑｏ ） ｔ ３在文献［］ １的基础上提出一
ｗ２ ２ × １
，
ｗ ２ Ｘ Ｓ２２
，
ｗ２Ｘ Ｓ ２
，
要对 用户进行 Ｑ Ｓ级别判定 ， 先需要确定各种业务的 ｏ 首
Ｓｐ １
．
ｐ， ２
…
Ｍ
评价 因素 ，即通过 哪些指标来衡量用户 的 Ｑ Ｓ级别 。衡量 ｏ Ｑ Ｓ的主要 因素有时延、延迟抖动、丢包率、误码率等 。综 ｏ 合判决模型的第 ２ 层是确定 Ｑｏ Ｓ级别判决指标集 ：
２ 基于 Ｑ Ｓ的模糊综合判决模型 ｏ
２１ Ｑｏ ． Ｓ分缓 随着无线通信技术的不断发展 ，认 知无线 电网络也被要 求支持 以下几种常见 的多媒体业务 ，如语音 、视频和数据传
作者 简介 ： 朱冰莲（ ５－） 女 ， １９ ， ９ 教授 ， 主研 方向： 认知无线电技 术 ，
信号处理 ；裴光术 ，硕士研究生 ；张 卢 颢 ，学士 磊 ，博士研究 生；何 志光、
收稿 日期 ：２ １－７ ５ ０１ — ０２
Ｅ ｍ ｉ ｚｕｌ ｑ． ｕ ｎ － ａ ： ｈｂ ｌ ＠ｃｕ ｄ ． ｅ ｃ
第３ 卷 ８
第 １ 期 ０
朱冰莲 ，裴光术 ，张
磊 ，等 ：认知无线 电中基于 Ｑ Ｓ分 级的频谱 分配策 略 ｏ
９ ３
图 １ 基于 Ｑ Ｓ的多 因素模糊综合判决模型 ｏ
抖动、误码率 、丢失率、接入优先级等多种 Ｑ Ｓ因素 ，只有 ｏ
综合考虑这些因素 ，才能有效准确判另 出用户的 Ｑ Ｓ级别。 ０ ｏ 同时判决 Ｑｏ Ｓ级别是一个模糊问题 ，涉及到多种 因素 共同作 用，而且在评价 中存在大量的模糊现象和模糊概 念。因此 ， 本文在综合判决时， 运用了模糊数学中的模糊综合判决方法 。
因素有不 同的要求。为满 足不 同业务对 Ｑｏ Ｓ的不 同需求 ，更 好 地 为 认 知 用 户 提供 高质 量 的无 线 传 输 服 务 和 更 有 效 地 利 用
感知周围环境 ， 发现暂时未被主 用户利用 的 “ 频谱 空穴” 且 ， 在不影响主用户的正常通信基础上 ，智能地接入空闲频段并 动态利 用，从而达到提高频谱利 用率、缓解频谱资源紧张的
小区中用户传输 的业务类型进行分类。
＝
，ｌ … ｖ，’ ２ ， ｊ， ，
Ｖｉ ２ ２ … ｖ Ｉ ２ ｉ
Ｖ ２ ｌ １
Ｓ ＝
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｛ ， ， ｝ …， ＝｛
：
［ ｌ 啦， ｇ】 ｌ ， …，
，
ｌ…， ， ２ ， ｝ ｝ ｝ Ｉ ， … Ｊ ｓ 啦， Ｓ 】 （） ７
（ｏｌ ｅ ｆ ｏ Ｃ ｌｇ ｍｍｕ ｉａｉｎＥ ｇｎｅｉｇ Ｃ ｏ ｇ ｉｇＵｎｖ ｒｉ， ｏ ｇ ｉｇ４ ０ ４ ， ｈｎ ） ｅ ｏＣ ｎｃｔ ｎ ｉｅｒ ， ｈ ｎ ｑｎ ｉｅｓ ｙＣｈ ｎ ｑｎ ０ ０４ Ｃ ｉａ ｏ ｎ ｔ
［ ｓ ａｔ ｎｏｄｒｔ ｒｖ ｅｓｓｅ ｔｒｕ ｈ ｕ ｏ ｎｔ ｅｒｄｏａ ｄｅｓｒ ｈ ａ ｎ ｓ ｆｓｅｔ ｍ ｌ ｃｔ ｎ ｔｉｐ ｐ ｒ ｒｐ ｓｓａ Ａｂｔ ｅｉＩ ｒｅ ｉ ｏ ｅｔ ｙｔｍ ｏ ｇ ｐ ｔｎｃ ｇ ｉｖ ａｉ ｎ ｎｕｅｔｅｆｉ ｅｓｏ ｐｃ ｕ ａｌ ａｉ ， ｓ ａｅ ｏ ｏｅ ｒ ｏ ｍｐ ｈ ｈ ｉ ｉ ｒ ｒ ｏ ｏ ｈ ｐ