基于溢出排队理论的智能频谱切换方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201510166634.9

申请日:

2015.04.09

公开号:

CN104811999A

公开日:

2015.07.29

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情:

实质审查的生效IPC(主分类):H04W 28/02申请日:20150409|||公开

IPC分类号:

H04W28/02(2009.01)I; H04W36/00(2009.01)I

主分类号:

H04W28/02

申请人:

大连大学

发明人:

刘毅; 裴炳南; 王洪雁; 吕龙飞; 陆倓

地址:

116622辽宁省大连市金州新区学府大街10号

优先权:

专利代理机构:

大连八方知识产权代理有限公司21226

代理人:

马瑞驹

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内容摘要

基于溢出排队理论的智能频谱切换方法属于无线通信领域中的频谱切换方法领域,该方法包括:1)当出现一个主用户时,判断是否有空闲信道;2)若有空闲信道,则实施频谱切换功能,空闲信道接收此主用户;若没有空闲信道,判断切换队列是否满;3)若切换队列已满且含有次用户,则最后进入切换队列的次用户退出切换队列,而等待主用户进入切换队列;若切换队列未满,则等待主用户直接进入切换队列。本发明能够进一步提高主用户的用户服务质量和有效的频谱切换成功率,并显著降低信道阻塞的风险,增大系统吞吐量,提升系统通信性能。

权利要求书

1.  基于溢出排队理论的智能频谱切换方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:
步骤一:由处理器判断是否存在新用户的通讯请求,若有则执行步骤二,否则重新执行步骤一;
步骤二:判断步骤一所述新用户是否是主用户,若是新的次用户则执行步骤三,若是新的主用户则执行步骤四;
步骤三:次用户频谱动态分配策略,其具体包括如下子步骤:
步骤3.1:为步骤二所述新的次用户判断是否存在闲置的通讯信道,若有则执行步骤3.2,否则执行步骤3.3;
步骤3.2:将步骤二所述新的次用户直接切换到步骤3.1所述闲置的通讯信道并返回步骤一;
步骤3.3:为步骤二所述新的次用户判断切换队列是否已满,若是,则强制忽略步骤3.1所述次用户的本次通讯请求并返回步骤一,否则,执行步骤3.4;
步骤3.4:将步骤3.3所述新的次用户置于切换队列的末尾,并返回步骤3.1;
步骤四:主用户频谱动态分配策略,其具体包括如下子步骤:
步骤4.1:为步骤二所述新的主用户判断是否存在闲置的通讯信道,若有则执行步骤4.2,否则执行步骤4.3;
步骤4.2:将步骤二所述新的主用户直接切换到步骤4.1所述闲置的通讯信道并返回步骤一;
步骤4.3:为步骤二所述新的主用户判断切换队列是否已满,若是,则执行步骤4.5;否则,执行步骤4.4;
步骤4.4:为步骤二所述新的主用户判断当前的切换队列中是否存在次用户,若存在,则执行步骤4.4.1,否则执行步骤4.4.2;
步骤4.4.1:将步骤4.4所述切换队列中现有各次用户的排位均向后顺延一位,并将步骤4.1所述新的主用户插入到切换队列中当前第一个次用户的前面,替换其原有位置,然后返回步骤4.1;
步骤4.4.2;强制忽略步骤4.4所述主用户的本次通讯请求并返回步骤一;
步骤4.5:用新的主用户替换当前切换队列中的次用户,其具体包括如下子步骤:
步骤4.5.1:为新的主用户判断步骤4.3所述当前的切换队列中是否存在次 用户,若存在,则执行步骤4.5.3,否则执行步骤4.5.2;
步骤4.5.2:强制忽略步骤4.5所述次用户的本次通讯请求并返回步骤一;
步骤4.5.3:判断步骤4.5.1所述当前的切换队列中的次用户是否唯一,若唯一,则执行步骤4.5.4,否则执行步骤4.5.5;
步骤4.5.4:将步骤二所述新的主用户插入到步骤4.5.3所述切换队列的末尾,并替代该末尾位置原有的唯一一个次用户,然后返回步骤4.1;
步骤4.5.5:将步骤4.5.3所述切换队列中现有各次用户的排位均向后顺延一位,并将步骤4.1所述新的主用户插入到切换队列中当前第一个次用户的前面,替换其原有位置,然后返回步骤4.1。

说明书

基于溢出排队理论的智能频谱切换方法
技术领域
本发明属于无线通信领域中的频谱切换方法领域,具体涉及一种基于溢出排队理论的智能频谱切换方法。
背景技术
近年来,随着无线通信技术和通信企业的发展,对频谱资源高效利用的要求越来越高,利用动态频谱分配策略逐步替代传统的静态频谱分配策略已逐渐成为趋势。
在无线电动态频谱分配策略领域,认知无线电网络概念的提出为频谱的最佳利用提供了非常有效的技术,其基本理念是:当出现新的主用户时,现有的次用户需要改变它的通信信道,以保证主用户的正常通信,即:优先级较低的次用户需要进行频谱切换。次用户也称为认知用户。频谱切换技术必须稳定、及时、高效,才能保证用户的正常通信。因此,如何提高频谱切换技术是一个重要的研究课题。
针对非实时数据的通讯服务,传统的基于排队理论的频谱切换技术的通信处理方案能够较为有效地动态分配和调整频谱资源,例如在文献1(Zhonggui Ma,and Hongbo Wang,“Dynamic Spectrum Handoff Scheme Based on Queuing Theory in Cognitive Radio Networks,”IEEE Wireless Communication,Networks and Mobile Computing,September 2012)中公开的一种认知无线电网络中基于排队理论的动态频谱切换方法,该方案的基本准则为:
1、通信信道的优先级高于切换队列的优先级;
2、主用户的优先级高于次用户的优先级;
3、主用户和次用户均按优先级原则分别在通信信道或切换队列中排序,在优先级原则的基础之下,在切换队列中,相同优先级的用户之间按照时间先后顺序排队;
4、当通信信道中出现闲置信道时,则在切换队列中排在首位的等待用户自 动进入通信信道中,切换队列中其余的用户均依照其在该队列中的先后顺序逐一向前移动一个位置。
按上述基本准则的基于排队理论的频谱切换技术在实际使用过程中会出现下述的情况:由于主用户的优先级较高,当大量主用户和次用户同时出现后,所有通信信道都将被主用户占据,没有闲置的通信信道。同时,进入切换队列排队等待的主用户和次用户在上述准则的作用下,会首先依据优先级排序,导致所有主用户在切换队列中均排在次用户的前面。由于主用户和次用户均随机出现,则当最终切换队列充满时,可能出现如下三种情况:
1、切换队列中充满主用户;
2、切换队列中充满次用户;
3、切换队列中充满主用户和次用户,但主用户均排在次用户前面,此时,切换队列中至少有一个次用户,且队列中的最后一个位置必然是次用户。
然而,当上述第三种情况出现时,旧有基于排队理论的频谱切换技术所存在的一个技术缺陷则显露出来:在为主用户判断切换队列是否已充满时,该技术仅优先考虑了切换队列是否已满,若切换队列已满则不再改变当前切换队列,而并未优先考虑切换队列中是否有优先级较低的次用户,这导致了该旧有方法可能出现:在切换队列里存在优先级较低的次用户,但新出现的优先级较高的主用户却无法进入切换队列替换之,而是主用户的本次通讯请求被强制忽略。这显然与主用户的优先级高于次用户的优先级的规则形成了矛盾,由此影响了此情形下主用户的用户服务质量(quality of service,QOS),削弱了有效的频谱切换成功率,并增加了信道阻塞的风险。
发明内容
为了解决现有基于排队理论的频谱切换技术在某些特殊条件的前提下可能出现切换队列里存在优先级较低的次用户,但新出现的优先级较高的主用户却无法进入切换队列并替换之,这与主用户的优先级高于次用户的优先级的规则形成矛盾,由此影响了此情形下主用户的用户服务质量,削弱了有效的频谱切换成功率,并带来信道阻塞的风险增加的技术问题,本发明提供一种基于溢出排队理论的智能频谱切换方法。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下:
基于溢出排队理论的智能频谱切换方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:
步骤一:由处理器判断是否存在新用户的通讯请求,若有则执行步骤二,否则重新执行步骤一;
步骤二:判断步骤一所述新用户是否是主用户,若是新的次用户则执行步骤三,若是新的主用户则执行步骤四;
步骤三:次用户频谱动态分配策略,其具体包括如下子步骤:
步骤3.1:为步骤二所述新的次用户判断是否存在闲置的通讯信道,若有则执行步骤3.2,否则执行步骤3.3;
步骤3.2:将步骤二所述新的次用户直接切换到步骤3.1所述闲置的通讯信道并返回步骤一;
步骤3.3:为步骤二所述新的次用户判断切换队列是否已满,若是,则强制忽略步骤3.1所述次用户的本次通讯请求并返回步骤一,否则,执行步骤步骤3.4;
步骤3.4:将步骤3.3所述新的次用户置于切换队列的末尾,并返回步骤3.1;
步骤四:主用户频谱动态分配策略,其具体包括如下子步骤:
步骤4.1:为步骤二所述新的主用户判断是否存在闲置的通讯信道,若有则执行步骤4.2,否则执行步骤4.3;
步骤4.2:将步骤二所述新的主用户直接切换到步骤4.1所述闲置的通讯信道并返回步骤一;
步骤4.3:为步骤二所述新的主用户判断切换队列是否已满,若是,则执行步骤4.5;否则,执行步骤4.4;
步骤4.4:为步骤二所述新的主用户判断当前的切换队列中是否存在次用户,若存在,则执行步骤4.4.1,否则执行步骤4.4.2;
步骤4.4.1:将步骤4.4所述切换队列中现有各次用户的排位均向后顺延一位,并将步骤4.1所述新的主用户插入到切换队列中当前第一个次用户的前面,替换其原有位置,然后返回步骤4.1;
步骤4.4.2;强制忽略步骤4.4所述主用户的本次通讯请求并返回步骤一;
步骤4.5:用新的主用户替换当前切换队列中的次用户,其具体包括如下子 步骤:
步骤4.5.1:为新的主用户判断步骤4.3所述当前的切换队列中是否存在次用户,若存在,则执行步骤4.5.3,否则执行步骤4.5.2;
步骤4.5.2:强制忽略步骤4.5所述次用户的本次通讯请求并返回步骤一;
步骤4.5.3:判断步骤4.5.1所述当前的切换队列中的次用户是否唯一,若唯一,则执行步骤4.5.4,否则执行步骤4.5.5;
步骤4.5.4:将步骤二所述新的主用户插入到步骤4.5.3所述切换队列的末尾,并替代该末尾位置原有的唯一一个次用户,然后返回步骤4.1;
步骤4.5.5:将步骤4.5.3所述切换队列中现有各次用户的排位均向后顺延一位,并将步骤4.1所述新的主用户插入到切换队列中当前第一个次用户的前面,替换其原有位置,然后返回步骤4.1。
本发明的有益效果是:本发明的智能频谱切换方法克服了旧有基于排队理论的频谱切换技术在某些特殊的条件前提下可能出现切换队列里存在优先级较低的次用户,但新出现的优先级较高的主用户却无法进入切换队列并对其进行替换的技术问题,从而避免了矛盾的发生,因此,该方法能够进一步提高主用户的用户服务质量和有效的频谱切换成功率,并显著降低信道阻塞的风险,增大系统吞吐量,提升系统通信性能。
附图说明
图1是本发明基于溢出排队理论的智能频谱切换方法的流程图;
图2是本发明仿真实验结果中主用户和次用户的到达时间和离开时间图;
图3是文献1所述基于排队理论的频谱切换技术仿真实验结果中次用户的停留时间图;
图4是本发明仿真实验结果中次用户的停留时间图;
图5是文献1所述基于排队理论的频谱切换技术仿真实验结果次用户的阻塞概率图;
图6是本发明仿真实验结果中次用户的阻塞概率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示,本发明基于溢出排队理论的智能频谱切换方法包括如下步骤:
步骤一:由处理器判断是否存在新用户的通讯请求,若有则执行步骤二,否则重新执行步骤一;
步骤二:判断步骤一所述新用户是否是主用户,若是新的次用户则执行步骤三,若是新的主用户则执行步骤四;
步骤三:次用户频谱动态分配策略,其具体包括如下子步骤:
步骤3.1:为步骤二所述新的次用户判断是否存在闲置的通讯信道,若有则执行步骤3.2,否则执行步骤3.3;
步骤3.2:将步骤二所述新的次用户直接切换到步骤3.1所述闲置的通讯信道并返回步骤一;
步骤3.3:为步骤二所述新的次用户判断切换队列是否已满,若是,则强制忽略步骤3.1所述次用户的本次通讯请求并返回步骤一,否则,执行步骤步骤3.4;
步骤3.4:将步骤3.3所述新的次用户置于切换队列的末尾,并返回步骤3.1;
步骤四:主用户频谱动态分配策略,其具体包括如下子步骤:
步骤4.1:为步骤二所述新的主用户判断是否存在闲置的通讯信道,若有则执行步骤4.2,否则执行步骤4.3;
步骤4.2:将步骤二所述新的主用户直接切换到步骤4.1所述闲置的通讯信道并返回步骤一;
步骤4.3:为步骤二所述新的主用户判断切换队列是否已满,若是,则执行步骤4.5;否则,执行步骤4.4;
步骤4.4:为步骤二所述新的主用户判断当前的切换队列中是否存在次用户,若存在,则执行步骤4.4.1,否则执行步骤4.4.2;
步骤4.4.1:将步骤4.4所述切换队列中现有各次用户的排位均向后顺延一位,并将步骤4.1所述新的主用户插入到切换队列中当前第一个次用户的前面,替换其原有位置,然后返回步骤4.1;
步骤4.4.2;强制忽略步骤4.4所述主用户的本次通讯请求并返回步骤一;
步骤4.5:用新的主用户替换当前切换队列中的次用户,其具体包括如下子步骤:
步骤4.5.1:为新的主用户判断步骤4.3所述当前的切换队列中是否存在次用户,若存在,则执行步骤4.5.3,否则执行步骤4.5.2;
步骤4.5.2:强制忽略步骤4.5所述次用户的本次通讯请求并返回步骤一;
步骤4.5.3:判断步骤4.5.1所述当前的切换队列中的次用户是否唯一,若唯一,则执行步骤4.5.4,否则执行步骤4.5.5;
步骤4.5.4:将步骤二所述新的主用户插入到步骤4.5.3所述切换队列的末尾,并替代该末尾位置原有的唯一一个次用户,然后返回步骤4.1;
步骤4.5.5:将步骤4.5.3所述切换队列中现有各次用户的排位均向后顺延一位,并将步骤4.1所述新的主用户插入到切换队列中当前第一个次用户的前面,替换其原有位置,然后返回步骤4.1。
如图2至图6所示,通过分别对参考文献1所述基于排队理论的频谱切换技术和本发明的基于溢出排队理论的智能频谱切换方法分别进行仿真实验,可以进一步对比和验证本发明的有益效果。
次用户阻塞概率的计算采用如下公式:
假设主用户和次用户的到达概率遵循到达率分别为λp和λs的独立泊松分布,主用户和次用户的平均服务时间遵循服务率分别为μp和μs的负指数分布。
则次用户阻塞几率可以表示为:
Pb=arr_nums-length(member_SU)arr_nums]]>
其中,arr_nums表示到达次用户的数量,length(member_SU)表示完成通信的次用户的数量。
仿真条件:
感知延迟时间为0.05s,主用户和次用户的服务时间遵循服务率分别为0.4、0.5的负指数分布
仿真内容:
仿真1:用本发明所提出的方法绘制主用户和次用户的到达时间和离开时间图,其仿真结果如图2所示。其中,圈号实线和点号实线分别表示主用户的到达时间和离开时间,“*”号实线和五角星实线分别表示次用户的到达时间和离开时间。从图2可以看出,随着次用户数量的增加,到达时间和离开时间也在增加。由于主用户的优先级高于次用户的优先级,次用户将会比主用户花费更多的时间等待可用信道,因此,次用户的到达时间和离开时间比主用户的长。需要注意的是,当切换队列中的主用户和次用户的数量达到一定时,只有当切 换队列中的所有主用户都完成通信之后,切换队列中的次用户才能通信,所以,在这种情况下,到达时间和离开时间会有重叠现象。
仿真2:分别用参考文献1所述基于排队理论的频谱切换技术和本发明所提出的方法绘制次用户的停留时间图,其仿真结果分别如图3和4所示。可以看出,次用户的停留时间几乎小于4s,相比参考文献1所述基于排队理论的频谱切换技术,本发明所提出的方法的次用户停留时间非常小,表明次用户可以实现顺畅通信。当次用户数量为12或者38时,由于此时切换队列中存在许多主用户,次用户的停留时间比较长。
仿真3:用参考文献1所述基于排队理论的频谱切换技术绘制次用户的阻塞概率随着主用户到达率的变化曲线如图5所示,用本发明所提出的方法绘制次用户的阻塞概率随着主用户到达率的变化曲线,如图6所示。可以看出,相较于参考文献1所述基于排队理论的频谱切换技术,本发明所提出的方法明显著地降低了次用户的阻塞率。当N=4时,次用户的阻塞率先上升,然后增大,这是因为当可用信道比较少时,阻塞概率就会高;当可用信道比较多时,阻塞概率就会低。此外,从图6还可以发现,当N=6或8时,次用户的阻塞概率几乎等于0,表明次用户很难被阻塞,即次用户可实现顺畅通信。
综上所述,本发明的智能频谱切换方法克服了旧有基于排队理论的频谱切换技术在某些特殊的条件前提下可能出现切换队列里存在优先级较低的次用户,但新出现的优先级较高的主用户却无法进入切换队列并对其进行替换的技术问题,从而避免了矛盾的发生,因此,该方法能够进一步提高主用户的用户服务质量和有效的频谱切换成功率,并显著降低信道阻塞的风险,增大系统吞吐量,提升系统通信性能。

基于溢出排队理论的智能频谱切换方法.pdf_第1页
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基于溢出排队理论的智能频谱切换方法属于无线通信领域中的频谱切换方法领域,该方法包括:1)当出现一个主用户时,判断是否有空闲信道;2)若有空闲信道,则实施频谱切换功能,空闲信道接收此主用户;若没有空闲信道,判断切换队列是否满;3)若切换队列已满且含有次用户,则最后进入切换队列的次用户退出切换队列,而等待主用户进入切换队列;若切换队列未满,则等待主用户直接进入切换队列。本发明能够进一步提高主用户的用户。

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