一种改进的并行频谱分配算法

发布时间：2019-08-05 14:15

【摘要】：针对现有动态频谱分配算法时间开销过大,用户公平性无法满足的问题,提出了一种基于用户公平性的并行频谱分配算法。该算法在基于图着色理论CSGC的动态频谱分配模型的基础上,引入HE社会模型计算出用于改进分配算法的公平系数,进而利用该系数对并行频谱分配算法进行公平性修正,最终使得动态频谱分配算法的时间开销和公平性同时得到满足,同时还详细讨论了公平系数设计对算法的影响。仿真结果表明:当用户数量固定,用户效益的波动与已有算法相比趋于平稳,用户的公平性得到满足;同时随着频带数的不断增加,算法的时间开销维持在一个较低的水平基本保持不变。
【图文】：

一种改进的并行频谱分配算法

一种基于用户公平性的并行频谱分配算法，在最大程度缩短分配时间的同时，可实现频谱公平分配。１模型构建１．１认知无线电的网络模型如图１所示ＣＲ网络模型中，Ｘ，Ｙ，Ｚ代表３个信道，用①～⑤表示５个认知用户，用Ⅰ～Ⅳ表示４个ＰＵ［１０］。但实际无线环境中，认知用户的移动和退出与接入呈现随机性，信道是时变的。ＣＲ拓扑结构可根据动态的频谱感知周期性的更新数据库来获得新的拓扑结构，假定一个周期内的拓扑结构不会发生改变［１１］。图１Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅｒａｄｉｏ网络拓扑结构Ｆｉｇ．１Ｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｇｎｉｔｉｖｅｒａｄｉｏ１．２动态频谱分配模型的数学描述ＣＲ频谱分配体制中可将认知用户信道分配等效为图１中的顶点着色问题。其中顶点表示ＳＵ，颜色代表频率或信道，顶点间连线代表认知用户间存在干扰，即两顶点间不能同时使用相同信道［３］。假设Ｎ个认知用户存在于一个拥有Ｍ个正交子信道的无线网络中。认知用户通过感知得到周围无线环境信息，则建立可用矩阵，干扰矩阵，效益矩阵和分配矩阵如下［１２］：１）可用矩阵ＬＬ＝｛ｌｎ，ｍ｜ｌｎ，ｍ∈｛０，１｝｝Ｎ×Ｍ当ｌｎ，ｍ＝１时，信道ｍ可被用户ｎ使用；反之则不能被用户ｎ使用。２）效益矩阵ＢＢ＝ｂｎ｛，ｍ｝Ｎ×Ｍｂｎ，ｍ表示认知用户ｎ使用信道ｍ所带来的频谱利用率、吞吐量等效益。将矩阵Ｌ与矩阵Ｂ点乘，可得有效频谱效益如下：Ｌ＝｛ｌｎ，，ｍｂｎ，ｍ｝Ｎ

一种改进的并行频谱分配算法

，ｍ）＝｛ｋ｜ｃｎ，ｋ，ｍ＝１，０≤ｋ≤Ｎ－１，ｋ≠ｎ｝其中该集合中元素的个数即是Ｄｎ，ｍ的值。在分配时需计算用户ｎ在频带ｍ的收益ｒ（ｍ，ｎ），在频带ｍ下收益最大的用户ｎ＊可使用该频带。在引入加权系数后，加权的用户在频带下的收益为：ｒ～（ｍ，ｎ）＝ωｉｂｎ，ｍＤｎ，ｍ＋１（５）此时计算在频带ｍ下使得ｒ～（ｍ，ｎ）最大的ｎ＊即可。其算法的流程图为：图２改进的并行频谱分配算法Ｆｉｇ．２Ｉｍｐｒｏｖｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍａｌｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ并行算法可同时对Ｍ个子图进行图着色，在频带正交情况下频带间不产生干扰，一个子图的颜色分配不影响其他子图颜色分配，且分配相互独立［１８］。并行算法可得到与ＣＳＧＣ相同的分配矩阵Ａ，由于Ｍ个子图分配的结果是最优矩Ａ中的一个列向量，所以子图Ｇｍ的循环次数为‖ａｍ‖１，假设每次分配循环时间开销为Ｔ，那么整个子图分配完成所消耗时间为‖ａｍ‖１Ｔ，其中‖ａｍ‖１为Ａ的向量范数，表示复用频带ｍ的用户数［１９］。又因为算法同时进行，所以完成整个系统频谱分配所需时间是ＴＭａｘ‖ａｍ‖１０≤ｍ≤Ｍ－１［２０］。４５第２期李雷，等：一种改进的并行频谱分配算法
【作者单位】：空军工程大学信息与导航学院;
【基金】：国家自然科学基金(61401499;61571364)
【分类号】：TN925

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