一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法.pdf

本发明公开了一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，属于无线通信技术领域。本方法包括以下步骤：1)从用户感知异构认知网络的频谱特性，根据切换类型计算切换时延Ts；2)建立网络各频谱的M/G/1排队模型，基于主从用户业务特性计算等待时延Tw；3)根据用户业务负荷及频谱特性计算传输时间Tt，针对从用户业务特性确定候选频谱；4)调用公式T＝Ts+Tw+Tt计算各候选频谱用户传输时延T，选择对应最小传输时延的候选频谱作为驻留/切换频谱。本方法通过综合考虑切换时延、排队等待时延、频谱传输特性，基于最小传输时延准则，确定被中断从用户驻留当前网络/频谱或切换至最佳目标网络的目标频谱，从而实现被中断从用户传输时延最小化及QoS保障。

1.  一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：从用户感知异构认知网络的频谱特性，根据切换类型计算切换时延T_s；
步骤二：建立网络各频谱的M/G/1排队模型，基于主从用户业务特性计算等待时延T_w；
步骤三：根据用户业务负荷及频谱特性计算传输时间T_t，针对从用户业务特性确定候选频谱；
步骤四：调用公式T＝T_s+T_w+T_t计算各候选频谱用户传输时延T，选择对应最小传输时延的候选频谱作为驻留/切换频谱。

2.  根据权利要求1所述的一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，其特征在于：在异构认知网络CRN中，从用户切换类型分为网络内主动切换、网络间主动切换、网络内被动切换、网络间被动切换。

3.  根据权利要求1所述的一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，其特征在于：在步骤二中，基于M/G/1排队模型对网络中各频谱进行建模，各频谱的排队模型包括高优先级和低优先级两个队列，主、从用户到达频谱时分别进入高、低优先级队列排队；仅当高优先级队列中的用户均结束通信，低优先级队列的用户才可使用频谱资源进行通信，各队列内遵循先到先服务原则服务；被中断从用户的优先级较普通从用户高，因此，当被中断从用户切换至目标频谱时，将位于目标频谱低优先级队列中其他切换从用户之后、普通从用户之前。

4.  根据权利要求1所述的一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，其特征在于：在步骤中，从用户选择驻留当前频谱或切换至候选频谱应满足频谱时延低于用户最大可接受时延；定义驻留频谱时延为T_I＝T_w，目标切换频谱时延为T_I＝T_s+T_w，若某频谱满足则该驻留/切换频谱为候选目标频谱，其中，为用户最大可接受时延。

5.  根据权利要求1所述的一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，其特征在于：在步骤中，根据公式计算用户传输时间，其中，L表示从用户数据包的长度，R表示从用户的传输速率，基于香农公式可建模R。

6.  根据权利要求1所述的一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，其特征在于：令从用户当前接入网络为n₀，当前频谱为k₀，计算从用户驻留在当前网络当前频谱完成数据传输所需总传输时延及切换至第n个目标网络第k个目标频谱继续传 输所需总传输时延T^(k,n)，k＝1,2,…,K_n，n＝1,2,…,N，k≠k₀或n≠n₀，其中，K_n为第n个网络的频谱数目；若T(k0,n0)≤T(k,n),∀k=1,2,...,Kn,∀n=1,2,...,N,]]>k≠k₀或n≠n₀则从用户选择驻留在当前网络当前频谱；否则，从用户选择切换至第n^*个网络的第k^*个频谱，n^*及k^*满足(k^*,n^*)＝arg min T^(k,n)。

一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其是认知无线网络的频谱选择技术领域，涉及一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展及用户应用需求的不断增长，各类通信应用对无线频谱的需求日益增加。传统的固定频谱分配方法导致部分频带竞争激烈，频谱资源严重匮乏；同时，部分频段大量已分配的频谱未得到充分使用，导致频谱利用率低下。为有效提高频谱资源利用率，缓解频谱资源匮乏问题，采用动态频谱接入机制的认知无线电技术近年来受到广泛关注。
同时，随着现代无线通信技术的发展，不同的接入技术不断涌现，例如传统蜂窝网络、无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)、全球微波互联接入(Worldwideinteroperability for Microwave Access,WiMAX)、无线个域网(Wireless Personal Area Network,WPAN)等，因此，未来用户面对的必然是复杂的异构无线网络环境，并且，每种无线接入网络往往具有其独特的网络特性，具体体现在覆盖范围、传输速率、传输时延、对用户移动性支持及提供业务类型等方面。因此，通过异构接入网络的融合与协同对分离的、局部的优势能力与资源进行有序整合，实现网络互联互通、协同工作，提供广覆盖、高带宽、具有移动性且费用低廉的接入服务，已成为下一代无线通信系统的发展方向。
在认知无线电技术和异构网络融合技术的不断发展的趋势下，为充分合理使用宝贵的无线频谱资源，实现高效通信，未来通信系统必然是能够支持认知无线点技术的认知异构网络环境。
在认知无线电网络中，在用户在不影响主用户正常工作的情况下，可接入授权频谱进行数据传输。但当从用户检测到主用户到达或频谱服务质量下降时便要执行频谱切换。而频谱的特性，切换时延，等待时间等因素对从用户传输性能有重要影响，如何在异构网络下选择一个稳定的性能的频谱作为目标切换频谱，以减少中断用户切换次数，提高传输性能成为重要研究课题。而如何综合考虑频谱等待时间，频谱特性以及切换时延等关键因素设计合理频谱切换方法，提高网络频谱资源利用率及用户QoS具有重要意义。
近年来，已有研究考虑认知无线网络从用户频谱选择机制。如有人提出认知用户通过历 史信息估计空闲频谱剩余时间列表及各频谱传输需求时长列表，进而确定切换时刻及切换目标频谱。也有人将认知网络主、从用户接入频谱问题建模为M/G/1排队模型，基于队列长度及用户业务特性对切换从用户排队时延进行评估，进而选择对应最小排队时延的候选频谱作为切换目标频谱。
现有频谱选择机制主要针对同构网络，较少考虑异构认知网络，而异构认知网络中接入网络的异构特性将给用户频谱选择及切换带来新的困难及挑战；此外，现有频谱选择准则大多基于最小切换时延，未综合频谱等待时延以及频谱传输性能，可能导致用户切换目标频谱等待时间过长及传输性能严重受限，无法有效保障用户QoS。
发明内容
有鉴于此，本发明针对异构认知无线网络被中断从用户持续通信问题综合考虑频谱切换时延，排队时延及频谱传输特性确定用户驻留当前网络当前频谱或切换至最佳目标网络目标频谱，以实现中断从用户总传输时延最小化，并提供一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于最小传输时延的异构认知网络频谱选择方法，包括以下步骤：步骤一：从用户感知异构认知网络的频谱特性，根据切换类型计算切换时延T_s；步骤二：建立网络各频谱的M/G/1排队模型，基于主从用户业务特性计算等待时延T_w；步骤三：根据用户业务负荷及频谱特性计算传输时间T_t，针对从用户业务特性确定候选频谱；步骤四：调用公式T＝T_s+T_w+T_t计算各候选频谱用户传输时延T，选择对应最小传输时延的候选频谱作为驻留/切换频谱。
进一步，在异构认知网络CRN中，从用户切换类型分为网络内主动切换、网络间主动切换、网络内被动切换、网络间被动切换。
进一步，在步骤二中，基于M/G/1排队模型对网络中各频谱进行建模，各频谱的排队模型包括高优先级和低优先级两个队列，主、从用户到达频谱时分别进入高、低优先级队列排队；仅当高优先级队列中的用户均结束通信，低优先级队列的用户才可使用频谱资源进行通信，各队列内遵循先到先服务原则服务；被中断从用户的优先级较普通从用户高，因此，当被中断从用户切换至目标频谱时，将位于目标频谱低优先级队列中其他切换从用户之后、普通从用户之前。
进一步，在步骤中，从用户选择驻留当前频谱或切换至候选频谱应满足频谱时延低于用户最大可接受时延；定义驻留频谱时延为T_I＝T_w，目标切换频谱时延为T_I＝T_s+T_w，若某频 谱满足则该驻留/切换频谱为候选目标频谱，其中，为用户最大可接受时延。
进一步，在步骤中，根据公式计算用户传输时间，其中，L表示从用户数据包的长度，R表示从用户的传输速率，基于香农公式可建模R。
进一步，令从用户当前接入网络为n₀，当前频谱为k₀，计算从用户驻留在当前网络当前频谱完成数据传输所需总传输时延及切换至第n个目标网络第k个目标频谱继续传输所需总传输时延T^(k,n)，k＝1,2,…,K_n，n＝1,2,…,N，k≠k₀或n≠n₀，其中，K_n为第n个网络的频谱数目；若T(k0,n0)≤T(k,n),∀k=1,2,...,Kn,∀n=1,2,...,N,]]>k≠k₀或n≠n₀则从用户选择驻留在当前网络当前频谱；否则，从用户选择切换至第n^*个网络的第k^*个频谱，n^*及k^*满足(k^*,n^*)＝arg min T^(k,n)。
本发明的有益效果在于：本发明所述的方法通过综合考虑切换时延、排队等待时延、频谱传输特性，基于最小传输时延准则，确定被中断从用户驻留当前网络/频谱或切换至最佳目标网络的目标频谱，从而实现被中断从用户传输时延最小化及QoS保障。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为异构认知无线网络覆盖图；
图2为基于最小传输时延的频谱切换方法流程图。
具体实施方式
本发明所述的一种基于最小传输时延的频谱选择方法。在异构认知网络共同覆盖区域内，基于切换时延，排队时延及传输时间，确定被中断从用户驻留当前频谱或切换至最佳目标频谱，以实现从用户切换及传输性能优化。
图1为异构认知无线网络覆盖图，图2为基于最小传输时延的频谱切换方法流程图。
本方法包括以下步骤：步骤一：从用户感知异构认知网络的频谱特性，根据切换类型计算切换时延T_s；步骤二：建立网络各频谱的M/G/1排队模型，基于主从用户业务特性计算等待时延T_w；步骤三：根据用户业务负荷及频谱特性计算传输时间T_t，针对从用户业务特性确定候选频谱；步骤四：调用公式T＝T_s+T_w+T_t计算各候选频谱用户传输时延T，选择对应最小传输时延的候选频谱作为驻留/切换频谱。
具体步骤为：
若已接入频谱执行数据传输的某从用户因主用户到达或频谱服务质量下降而被迫中断传输，该从用户可能执行网内主动切换、网间主动切换、网内被动切换或网间被动切换。各类型切换对应切换时延分别为：
Ts(1)=tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
Ts(2)=trecfg+Ts(1)=trecfg+tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
Ts(3)=tprep+Ts(1)=tprep+tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
Ts(4)=trecfg+Ts(3)=trecfg+tprep+tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
其中，表示同步监听持续时间，t_sen表示频谱感知时间，t_dec表示频谱决策所需时间，t_switch表示从当前频谱切换至目标频谱所需时间，表示切换至目标频谱且执行传输调度同步后重新恢复传输的时间，t_recfg表示异构CRN间切换时射频收发电路重配置所需时间，t_prep表示反应式切换所需切换准备时间。
建模主、从用户接入各网络中频谱接受服务过程为M/G/1排队模型，其中，每个频谱包括高优先级和低优先级两个队列，主从用户到达频谱时分别进入高、低优先级队列排队，仅在高优先级队列中的用户均结束通信，低优先级队列的用户才可使用频谱资源进行通信，各队列内遵循先到先服务原则。被中断从用户具有比普通从用户更高的优先级，因此，当被中断用户切换至目标频谱时，将位于目标频谱低优先级队列中其他切换从用户之后、普通从用户之前。
被中断用户可选择驻留在原频谱等待或切换至其他频谱。若中断用户选择在原频谱等待，假设该用户当前接入网络为n₀，当前频谱为k₀，对应等待时延为：其中分别为驻留频谱主用户到达率和服务率；若被中断从用户选择从当前网络当前频谱切换至第n个网络的第k个频谱，以(k，n)表示第n个网络第k个频谱，对应等待时延为：Tw(k,n)=1μP(k,n)-λP(k,n)+λP(k,n)2μP(k,n)+λS(k,n)2μS(k,n),]]>其中，分别为切换频谱主用户到达率和服务率，分别为切换频谱从用户的到达率和服务率，k＝1,2,…,K_n，n＝1,2,…,N，k≠k₀或n≠n₀。
被中断从用户在驻留频谱的传输速率可由香农公式计算，假设被中断从用户的数据包长 度为L，则用户在驻留频谱的传输时间为：
Tt(k0,n0)=LR(k0,n0),]]>其中，R(k0.n0)=B(k0,n0)log2(1+P(k0,n0)·(h(k0,n0))2(σi(k0,n0))2)]]>为传输速率，表示驻留频谱的带宽，为从用户在驻留频谱的传输功率，为驻留频谱的频谱增益，为噪声功率。类似地，被中断从用户在切换频谱(k，n)的传输时间为其中，为传输速率，k＝1,2,…,K_n，n＝1,2,…,N，k≠k₀或n≠n₀，K_n为第n个网络的频谱数目，B^(k,n)表示切换频谱的带宽，P^(k,n)为从用户在切换频谱(k，n)的传输功率，h^(k,n)为频谱增益，为噪声功率。
若从用户选择驻留在当前网络当前频谱，则传输中断时间为若从用户选择切换至频谱(k，n)，则传输中断时间为i＝1,2,3,4。仅当从用户当前频谱或切换频谱满足其中，为从用户业务可允许的最大中断时间，从用户可选择驻留在当前频谱或切换至目标频谱，对应频谱为驻留/切换候选频谱。
定义从用户总传输时延为从用户被中断传输时刻至从用户在驻留频谱或切换频谱完成数据传输之间时段。若T(k0,n0)≤T(k,n),∀k=1,2,...,Kn,∀n=1,2,...,N,]]>k≠k₀或n≠n₀，则从用户选择驻留在当前频谱，对应总传输时延为否则，从用户基于最小传输时延选择切换目标网络目标频谱(k^*,n^*)＝arg min T^(k,n)，k^*＝1,2,…,K_n，n^*＝1,2,…,N，k^*≠k₀或n^*≠n₀，则对应总传输时延为：
T(k*,n*)=Ts(k*,n*)+Tw(k*,n*)+Tt(k*,n*),]]>其中，为从用户切换至网络n^*的频谱k^*所需切换时延，若从用户执行主动切换，且k^*＝n₀，则若从用户执行主动切换，且n^*≠n₀，则若从用户执行被动切换，且n^*＝n₀，则若从用户执行被动切换，且n^*≠n₀，则
在本实施例中，考虑由两个认知异构网络(CRN1、CRN2)融合的构成的网络场景，各网络存在多个可用频谱、从用户可选择接入任一个网络中的任一频谱，具体过程如下：
S1：根据不同切换类型，计算切换时延。从用户感知CRN1和CRN2的频谱信息，若检 测到频谱服务质量下降，可主动发起切换至当前网络的其他频谱或另一网络的频谱，分别对应网络内主动切换及网络间主动切换；当主用户到达时，从用户可选择驻留在当前网络当前频谱或切换至当前网络的其他频谱或其他网络中的频谱，分别对应网络内被动切换和网络间被动切换。若从用户选择执行频谱切换，网络内主动切换、网络间主动切换、网络内被动切换及网络间被动切换对应切换时延分别为：
Ts(1)=tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
Ts(2)=trecfg+Ts(1)=trecfg+tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
Ts(3)=tprep+Ts(1)=tprep+tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
Ts(4)=trecfg+Ts(3)=trecfg+tprep+tsynsen+tsen+tdec+tswitch+tsyntx,]]>
S2：建立各网络中各频谱的M/G/1排队模型，计算排队时延。当从用户被中断时可选择驻留在当前网络的当前频谱或切换至其他频谱。若选择停留在原频谱，则在原频谱低优先级队列队首等待，待高优先级队列所有主用户服务均结束后恢复传输，对应等待时延为若从用户选择切换至其他频谱，则排列于低优先级队列中其他切换用户之后，普通用户之前，在高优先级队列中的用户和正在服务的主从用户均结束通信后，可执行数据传输，对应等待时延为Tw(k,n)=1μP(k,n)-λP(k,n)+λP(k,n)2μP(k,n)+λS(k,n)2μS(k,n).]]>
S3：根据频谱特性，计算传输时间。假设被中断从用户的数据包长度为L，则用户在驻留频谱的传输时间为：Tt(k0,n0)=LR(k0,n0),]]>采用香农公式R(k0.n0)=B(k0,n0)log2(1+P(k0,n0)·(h(k0,n0))2(σi(k0,n0))2)]]>表达用户在驻留频谱上的传输速率；若被中断从用户在切换频谱(k，n)的传输时间为Tt(k,n)=LR(k,n),]]>则采用R(k.n)=B(k,n)log2(1+P(k,n)·(h(k,n))2(σi(k,n))2)]]>表示用户在切换频谱上的传输速率，k＝1,2,…,K_n，n＝1,2,…,N，k≠k₀或n≠n₀，K_n为第n个网络的频谱数目。
S4：根据候选频谱判决条件：确定驻留/切换候选频谱，其中，T_I为从用户传输中断时间，为从用户业务可允许的最大中断时间。若从用户选择驻留在当前网络当前频谱，则传输中断时间为若从用户选择切换至另一频谱，则传输中断时间为i＝1,2,3,4。仅当从用户当前频谱或切换频谱满足当前频谱或切换频谱为驻留/切换候选频谱，从用户可选择驻留在当前频谱或切换至某候选频谱。
S5：计算驻留频谱/切换候选频谱传输时延。若从用户选择驻留在当前频谱，对应总传输时延为若从用户选择切换至第n^*个网络的第k^*个频谱，则对应总传输时延为T(k*,n*)=Ts(k*,n*)+Tw(k*,n*)+Tt(k*,n*).]]>
S6：根据判断被中断从用户选择驻留当前频谱或切换至其他候选频谱。
S7：从用户切换至第n^*个网络的第k^*个频谱，满足(k^*,n^*)＝arg min T^(k,n)，k^*＝1,2,…,K_n，n^*＝1,2,…,N，k^*≠k₀或n^*≠n₀的候选频谱作为目标切换频谱。
S8：若T(k0,n0)≤T(k,n),∀k=1,2,...,Kn,∀n=1,2,...,N,]]>k≠k₀或n≠n₀，则被中断从用户选择驻留在原频谱。
上述实施例假设有两个网络CRN1，CRN2，所述方法可扩展至多个异构网络融合场景。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。