认知无线电网络节能效率调度与性能分析

    董春利+王莉

    

    

    摘要：为寻求替代计算更容易的解决方案，文章提出了一个多项式时间启发式算法，即节能效率启发式调度，从而使分配到的每个空闲频率的认知用户达到最高节能效率。将原来的问题重新制定了资源分配方案，即基于能耗限制的呑吐量最大化调度和基于呑吐量保证约束的能耗最小化调度。这两个调度也提供资源分配公平性的能力。在连续和分散频谱情况下，文章分析了节能效率和所提出的调度成功传输的概率。性能研究表明，相比于呑吐量最大化的目標单纯的机会调度，调度可在更好的节能效率下达到几乎相同的呑吐量性能。

    关键词：认知无线电；节能效率；启发式调度；呑吐量性能

    认知无线电网络，由于其机会传输和动态频谱接入效率计算如下。

    （DynamicSpectrumAlliance，DSA）的能力，使无线电频谱得到有效利用。CRNs的集中式资源分配，称为调度，大多在吞吐量效率视角下得到了很好的研宄[1]。此外，公平性和服务质量问题也有一些研宄[2]。

    CRNs的调度，是一个非线性规划（NonlinearProgramming，NLP）问题[3]。为了克服这种计算的复杂性，本文设计了一个多项式时间启发式算法，节能效率启发式调度（EnergyEfficientHeuristicScheduling，EEHS），在基础上，将原来的问题重新制定了资源分配，基于能耗限制的吞吐量最大化调度和基于吞吐量保证约束的能耗最小化调度。

    1 节能效率启发式调度

    考虑一个集中式CRN，服务7V个CRS，主网络具有F个非重叠正交频率。每个主信道的占用状态被建模为一个两状态的马尔可夫链，表示空闲和繁忙状态的信道。一个信道的空闲概率是Adle。PN和CRN以时间同步的方式运作，后者与前者同步。假定PU频谱占用，由认知基站从外部实体检索，如白色空间数据库[4]。

    在一个观察周期调节能效率定义为每单位能量消耗所得到的吞吐量。直接来自这个正式定义，比特/每焦耳的容量作为一个度量，衡量一个网络节能效率。利用（4）和（5）分别计算总CRN吞吐量（70和总CRN能耗（E），CRN的节能节能效率启发式调度在这个频率能达到最大节能效率，即有最高的^的CR分配每个空闲频率。

    2 基于能耗限制的吞吐量最大化调度

    制定集中式资源分配，可以替代为在一定的能源消耗限制下，制定一个吞吐量最大化问题。假设五max是最大允许能耗，在每帧由调度确定。设K是传输中的CRS数量，a是每个用户信道切换的平均数，乃是CRS传输后的平均空闲时间。因此，U十算如下。

    在资源分配中，由于期望调度是公平的，我们定义了称为满意率（%）的一个度量，这是C&的传输量与到当前时间，它所产生的总量的比值。在该调度中，使用满意率作为一种公平的标准。因此，（1-%）的目的是为了确保一个公平的概念，有利于CRS降低a^TMER可计算如下。

    3 基于吞吐量保证约束的能耗最小化调度

    类似于P2，在最低吞吐量保证下，可以制定一个能耗最小化问题如下。

    通过在TMER中设置，以及在EMTG中设置，TMER和EMTG调度可以转变为忽略公平性的调度。关于TMER和EMTG计算的复杂性，两者都是解决LP问题，如果用二分图来模拟频率分配问题（在h中，CRS作为顶点组，频率是在其他的顶点组G中），吞吐量最大化对应于这二分图的最大权值匹配。在这个模型中，是顶点/和顶点，之间边的权重。

    4 性能分析

    为认知无线电网络制定了一种节能效率最大化的调度，提出了EEHS，在多项式时间里运行的一个启发式算法，为节能效率资源分配。由于EEHS可能缺乏有效的吞吐量效率，重新制定了资源分配，基于能耗限制的吞吐量最大化调度和基于吞吐量保证约束的能耗最小化调度。

    实验评估了这些调度的性能，并与常用的吞吐量最大化调度（MRHS）进行了比较。此外，将注意力集中在频谱组织。可用于CRN使用的频谱可能包括相邻的频带，或可能是一个频谱远的频带（也称为片段）组成。第二种情况下的频率分离，可确定被分配的一个CR频率范围，因为信道切换时间和能量消耗取决于两个频带之间的频率分离。MRHS具有较低的能量效率性能，相比节能效率启发式调度，基于吞吐量保证约束的能耗最小化调度（EMTG）和基于能耗限制的吞吐量最大化调度（TMER）。此外，实际操作条件下的吞吐量性能（如充分数量的频率）是相似的。因此，考虑能量效率或者能量消耗的调度，对能量有效的CRNs，应该是作为优先的调度方案。考虑到公平性，在低流量负荷和均质条件下，所有方案几乎和预期同样服务于CRs。另一方面，在非均质流量和链路质量条件下，EEHS和MRHS作为机会调度，不能在CRs中提供公平性。相反，在资源配置中，EMTG和TMER在CRs中提供了一个良好的平衡。实验显示，通过考虑信道切换的成本和避免远频带间的跳频，所提出的调度可以防止频谱分裂。

    [参考文献]

    [1]TUMULURUV，WANGP？NIYATOD.Anovelspectrumschedulingschemeformulti-channelcognitiveradionetworkandperformanceanalysis[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，2011（4）：1849-1858.

    [2]WANGB？ZHAOD.Schedulingforlongtermproportionalfairnessinacognitivewirelessnetworkwithspectrumunderlay[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications，2010（3）：1150-1158.

    [3JSUZANB？ALAGOZF.Schedulingincentralizedcognitiveradionetworksforenergyefficiency[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology？2013（2）：582-595.

    [4]MURTYR？CHANDRAR，MOSCIBRODAT.Senseless：Adatabasedrivenwhitespacesnetwork[J].IEEETransactionsonMobileComputing，2012（2）：189-203.