【摘要】：針對(duì)現(xiàn)有動(dòng)態(tài)頻譜分配算法時(shí)間開(kāi)銷過(guò)大,用戶公平性無(wú)法滿足的問(wèn)題,提出了一種基于用戶公平性的并行頻譜分配算法。該算法在基于圖著色理論CSGC的動(dòng)態(tài)頻譜分配模型的基礎(chǔ)上,引入HE社會(huì)模型計(jì)算出用于改進(jìn)分配算法的公平系數(shù),進(jìn)而利用該系數(shù)對(duì)并行頻譜分配算法進(jìn)行公平性修正,最終使得動(dòng)態(tài)頻譜分配算法的時(shí)間開(kāi)銷和公平性同時(shí)得到滿足,同時(shí)還詳細(xì)討論了公平系數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)算法的影響。仿真結(jié)果表明:當(dāng)用戶數(shù)量固定,用戶效益的波動(dòng)與已有算法相比趨于平穩(wěn),用戶的公平性得到滿足;同時(shí)隨著頻帶數(shù)的不斷增加,算法的時(shí)間開(kāi)銷維持在一個(gè)較低的水平基本保持不變。
【圖文】：

一種基于用戶公平性的并行頻譜分配算法，在最大程度縮短分配時(shí)間的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)頻譜公平分配。１模型構(gòu)建１．１認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)模型如圖１所示ＣＲ網(wǎng)絡(luò)模型中，Ｘ，Ｙ，Ｚ代表３個(gè)信道，用①～⑤表示５個(gè)認(rèn)知用戶，用Ⅰ～Ⅳ表示４個(gè)ＰＵ［１０］。但實(shí)際無(wú)線環(huán)境中，認(rèn)知用戶的移動(dòng)和退出與接入呈現(xiàn)隨機(jī)性，信道是時(shí)變的。ＣＲ拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)動(dòng)態(tài)的頻譜感知周期性的更新數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，假定一個(gè)周期內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變［１１］。圖１Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅｒａｄｉｏ網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．１Ｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｇｎｉｔｉｖｅｒａｄｉｏ１．２動(dòng)態(tài)頻譜分配模型的數(shù)學(xué)描述ＣＲ頻譜分配體制中可將認(rèn)知用戶信道分配等效為圖１中的頂點(diǎn)著色問(wèn)題。其中頂點(diǎn)表示ＳＵ，顏色代表頻率或信道，頂點(diǎn)間連線代表認(rèn)知用戶間存在干擾，即兩頂點(diǎn)間不能同時(shí)使用相同信道［３］。假設(shè)Ｎ個(gè)認(rèn)知用戶存在于一個(gè)擁有Ｍ個(gè)正交子信道的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。認(rèn)知用戶通過(guò)感知得到周圍無(wú)線環(huán)境信息，則建立可用矩陣，干擾矩陣，效益矩陣和分配矩陣如下［１２］：１）可用矩陣ＬＬ＝｛ｌｎ，ｍ｜ｌｎ，ｍ∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｍ當(dāng)ｌｎ，ｍ＝１時(shí)，信道ｍ可被用戶ｎ使用；反之則不能被用戶ｎ使用。２）效益矩陣ＢＢ＝ｂｎ｛，ｍ｝Ｎ×Ｍｂｎ，ｍ表示認(rèn)知用戶ｎ使用信道ｍ所帶來(lái)的頻譜利用率、吞吐量等效益。將矩陣Ｌ與矩陣Ｂ點(diǎn)乘，可得有效頻譜效益如下：Ｌ＝｛ｌｎ，，ｍｂｎ，ｍ｝Ｎ

，ｍ）＝｛ｋ｜ｃｎ，ｋ，ｍ＝１，０≤ｋ≤Ｎ－１，ｋ≠ｎ｝其中該集合中元素的個(gè)數(shù)即是Ｄｎ，ｍ的值。在分配時(shí)需計(jì)算用戶ｎ在頻帶ｍ的收益ｒ（ｍ，ｎ），在頻帶ｍ下收益最大的用戶ｎ＊可使用該頻帶。在引入加權(quán)系數(shù)后，加權(quán)的用戶在頻帶下的收益為：ｒ～（ｍ，ｎ）＝ωｉｂｎ，ｍＤｎ，ｍ＋１（５）此時(shí)計(jì)算在頻帶ｍ下使得ｒ～（ｍ，ｎ）最大的ｎ＊即可。其算法的流程圖為：圖２改進(jìn)的并行頻譜分配算法Ｆｉｇ．２Ｉｍｐｒｏｖｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍａｌｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ并行算法可同時(shí)對(duì)Ｍ個(gè)子圖進(jìn)行圖著色，在頻帶正交情況下頻帶間不產(chǎn)生干擾，一個(gè)子圖的顏色分配不影響其他子圖顏色分配，且分配相互獨(dú)立［１８］。并行算法可得到與ＣＳＧＣ相同的分配矩陣Ａ，由于Ｍ個(gè)子圖分配的結(jié)果是最優(yōu)矩Ａ中的一個(gè)列向量，所以子圖Ｇｍ的循環(huán)次數(shù)為‖ａｍ‖１，假設(shè)每次分配循環(huán)時(shí)間開(kāi)銷為Ｔ，那么整個(gè)子圖分配完成所消耗時(shí)間為‖ａｍ‖１Ｔ，其中‖ａｍ‖１為Ａ的向量范數(shù)，表示復(fù)用頻帶ｍ的用戶數(shù)［１９］。又因?yàn)樗惴ㄍ瑫r(shí)進(jìn)行，所以完成整個(gè)系統(tǒng)頻譜分配所需時(shí)間是ＴＭａｘ‖ａｍ‖１０≤ｍ≤Ｍ－１［２０］。４５第２期李雷，等：一種改進(jìn)的并行頻譜分配算法
【作者單位】： 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金(61401499;61571364)
【分類號(hào)】：TN925

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本文編號(hào)：2523169