认知无线电的拓扑控制与信道分配.ppt

美国联邦通信委员会FCC的研究报告[1]指出，频谱使用率随时间、地区和频带的不同而不同，其范围在15％～85％之间。并且其中只有少部分的频谱使用率较高，大部分频谱都处于长期空闲状态，甚至部分频谱没有被占用。下图为某一时间美国纽约的频谱使用情况分布图。我们可以看出频域上的一些频段几乎没有被使用或者很少使用，但是有一些频段却一直被高频率占用。固定的频谱分配方式很大程度上限制的频谱的使用，为了提高频谱资源的利用率，提倡频谱的“二级利用”，作为一种能感知周围无线环境，自适应调整工作频率、功率和传输方式等工作参数的无线通信方式—认知无线电的出现，极大地提高了频谱的利用效率，实现了频谱的多样性。这种次级用户机会式的接入授权频谱的方式又称为动态频谱接入(dynamicspectrumaccess,简称DSA)[3]。动态频谱接入可以在很大程度上提高授权频谱的利用效率。下图是动态频谱接入示意图。信道分配的目的是为次级用户分配适合自己业务传输的信道。
信道分配策略主要有两类:
（1）预留（proactive）策略：在通信链路建立之前，首先从所有可用信道中划分出一定数量的空闲信道，并对他们进行优先级判断（可以考虑信道质量，信道空闲时间等因素），建立系统的预留信道列表，当主用户占用了次级用户正在使用的信道时，次级用户从预留信道中选择优先级最高的信道进行数据传输。
（2）即时（reactive）策略：在认知用户需要进行频谱切换的时候，随机感知当前的可用信道，一旦确认某信道可用，就切换到该信道上，次级用户将在下一个新的时隙到来时开始数据传输。
拓扑控制的目的是在为次级用户分配信道的同时，考虑整个次级网络的连通
性，确保网络的健壮性。三共享模式
underlay模型中，SU可以接入授权频段，不管PU是不是在访问当前频段。但是前提是要保证PU可以承受来自所有SU引起的干扰总和。即所有次级用户对PU的干扰总和要低于某个设定的门限。在这种模式下虽然增加了SU接入授权频谱的机会，但是缺少主用户与次级用户之间的交互，很难控制对主用户的干扰。下图为underlay频谱共享模型的示意图。overlay模型旨在保护PU的传输性能，即在保证PU能正常进行信号传输的情况下，SU可以利用该授权频段进行自身的信号传输，并不限制SU的发射功率。通过协商合作，当SU和PU达成一致的协议后，SU可以充分意识到自己在团队中的的作用，并履行其应该担当的义务。因此在这种PU和SU合作的背景下，次级的传输机会就不是随机的了。在这种模式中SU通过向PU提供某些特殊的服务来交换传输自己信号的机会。形式有租用主用户不经常使用的频谱段或者是中继主用户的通信等等。下图为overlay模式示意图。认知无线电网络的拓扑优化和信道分配主要考虑以下几个方面的问题：
1.主用户的信号发射功率和信号传输区域都远大于次级用户，所以当
主用户突然出现在当前次级网络正在使用的信道上时，多个次级用
户的数据传输将会受到影响。
2.次级用户为了继续数据传输，需要尝试其他的信道，这需要频谱感
知，发现邻居用户和信道切换，还有次级用户之间的信道争用，这
会产生很多开销和增加数据接收的时间延时。
3.当一个次级用户进行信道切换时，可能会造成他与邻居节点没有共
同的信道，而迫使邻居节点也需要作出相应的信道调整，进而可能
会造成多个次级用户的信道发生变化。
4.主用户出现在任何一个授权信道上都是随机的，由于这种主用户出
现的不确定性，可能会对整个次级网络的整体性能产生影响。四基本模型代表信道2.博弈论模型
博弈论模型适合分析认知无线电中各用户竞争频谱的分布式行为。次级用户之间单独感知频谱信息，自己做出决策。假设分布式的认知无线电网络有记五文献总结令在实际有限的空闲信道和最大化传输功率的条件下，可以计算出每个次级用户文献[24]基于建立健壮的拓扑结构和最小化信道干扰的前提下，提出了多跳认知无线电网络的CRTCA（centralizedrobusttopologycontrolalgorithm）和DRTCA（distributedrobusttopologycontrolalgorithm）的集中式和分布式的健壮的拓扑控制算法。该模型假设每个次级用户有两个无线接口，但是某一时刻只能利用一个信道传输或接收数据。在这种拓扑结构中，一个次级用户分配两个信道。图1（a）当信道1或3被主用户占用时，网络就被分成两部分，CRTCA信道选择法则选择接入次数最少的信道，并且给潜在可能产生分区的链路分配反馈信道，保证了网络的连通性。这样一旦某信道被主用户占用，次级用户可以切换到另一信道上通过其他路径进行源目节点间的数据传输。则健壮拓扑构建问题可以表示为下列优化模型：健壮性限制约束：
这是一个混合整数线性规划问题，本文通过二进制变量把它转化为线性规划问题