基于模糊邏輯的頻譜分配算法

李 磊,李 莉,陳小丹,凌洪濤

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio,CR)的提出,為實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用提供了有效途徑,它根據(jù)對(duì)可用頻譜的分析結(jié)果,在不影響主用戶正常使用的前提下,為有通信需求的認(rèn)知用戶分配適合的頻譜[1].CR是以頻譜檢測(cè)為基礎(chǔ)的,目前對(duì)于頻譜檢測(cè)的理論研究已經(jīng)比較多[2-3],而在頻譜檢測(cè)的基礎(chǔ)上,研究動(dòng)態(tài)頻譜分配是認(rèn)知無(wú)線電的媒體接入層中的關(guān)鍵技術(shù)之一.

現(xiàn)有的經(jīng)典頻譜分配算法有基于圖論、博弈論、頻譜拍賣等算法.文獻(xiàn)[4]是基于圖論的,采用分布式頻譜管理結(jié)構(gòu),每個(gè)節(jié)點(diǎn)在遵守頻譜管理規(guī)則的條件下獨(dú)立決策,保證了算法的公平性,降低了算法復(fù)雜度和時(shí)間開銷,但是在某些應(yīng)用環(huán)境可能導(dǎo)致將較多頻譜資源分配給頻譜需求量較小的節(jié)點(diǎn),使得頻譜的利用率較低.文獻(xiàn)[5]基于博弈論提出了一個(gè)議價(jià)博弈的分布式分配算法,通過(guò)議價(jià)博弈,無(wú)需在每次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)重新計(jì)算就能得到最優(yōu)分配,同時(shí)兼顧了算法的公平性,但文中的議價(jià)博弈交易框架假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互合作,而實(shí)際系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可能是自私的.文獻(xiàn)[6]是基于頻譜拍賣的,同時(shí)考慮復(fù)雜度和誠(chéng)信,提出一種貪婪頻譜分配算法,設(shè)計(jì)了基于臨界鄰居節(jié)點(diǎn)投標(biāo)的定價(jià)機(jī)制來(lái)保證誠(chéng)信拍賣,每次為最高出價(jià)投標(biāo)者分配頻譜,但在認(rèn)知用戶投標(biāo)價(jià)格相同的情況下會(huì)導(dǎo)致頻譜利用率的降低.文獻(xiàn)[7]考慮了認(rèn)知用戶的頻譜利用率、認(rèn)知用戶移動(dòng)性、信噪比等因素,利用模糊邏輯系統(tǒng)得到認(rèn)知用戶的頻譜接入概率,但是未考慮到認(rèn)知用戶與認(rèn)知用戶基站的距離等因素的影響,并且頻譜接入概率的計(jì)算公式較復(fù)雜.

基于以上算法的優(yōu)點(diǎn)與不足,本文作者提出一種利用模糊邏輯的頻譜分配新算法.本算法是在可用空閑頻譜數(shù)量少于認(rèn)知用戶數(shù)量的前提下,采用集中式的頻譜分配方式,認(rèn)知用戶將頻譜檢測(cè)信息通過(guò)上行控制信道傳送給認(rèn)知用戶基站,在認(rèn)知用戶基站中執(zhí)行所提出的頻譜分配算法,目標(biāo)是使基站收益最大化.

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)模型

圖1是認(rèn)知無(wú)線電的集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,假設(shè)一個(gè)主用戶的授權(quán)頻帶處于空閑狀態(tài),多個(gè)認(rèn)知用戶相互競(jìng)爭(zhēng)該空閑頻帶,主用戶、每個(gè)認(rèn)知用戶都擁有獨(dú)立的接收機(jī)和發(fā)射機(jī),主用戶與主用戶基站通信,認(rèn)知用戶與認(rèn)知用戶基站通信.認(rèn)知用戶基站通過(guò)測(cè)量獲得或接收認(rèn)知用戶發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù),執(zhí)行頻譜分配算法后把該空閑頻帶分配給其中一個(gè)認(rèn)知用戶.

圖1 集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

設(shè)認(rèn)知用戶基站有一個(gè)大小確定的信號(hào)覆蓋面積,基站收發(fā)臺(tái)不能覆蓋的區(qū)域就是信號(hào)的盲區(qū).基站發(fā)射和接收信號(hào)的范圍直接關(guān)系到認(rèn)知用戶終端信號(hào)在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的好壞.通常認(rèn)知用戶與認(rèn)知用戶基站的距離越近,信道條件就越好,有利于認(rèn)知用戶的通信.不失一般地,設(shè)需要使用某一空閑頻譜的認(rèn)知用戶與認(rèn)知用戶基站的距離為RBS,定義該認(rèn)知用戶的通信優(yōu)先級(jí)Q為RBS的倒數(shù),如式:

Q=1/RBS.

(1)

當(dāng)RBS增大到認(rèn)知用戶基站的小區(qū)半徑Rth時(shí),認(rèn)知用戶信道條件可認(rèn)為差,甚至可能處于信號(hào)盲區(qū),故把Rth值代入式(1),對(duì)應(yīng)的Q值定義為通信優(yōu)先級(jí)門限Qth.那么,對(duì)于一個(gè)需要接入該空閑頻帶的認(rèn)知用戶,若其Q

1.2 模糊邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

影響模糊邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素很多,其一,主用戶暫時(shí)不使用的頻帶是固定的,而每個(gè)認(rèn)知用戶所要進(jìn)行的業(yè)務(wù)卻不確定,例如可能是數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務(wù)和單純的話音業(yè)務(wù),那么不同認(rèn)知用戶的頻譜利用率就不同,具有較高頻譜利用率的認(rèn)知用戶對(duì)頻帶的利用更充分;其二,當(dāng)認(rèn)知用戶處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下,認(rèn)知用戶的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)能夠處于穩(wěn)定的收發(fā)狀態(tài)至關(guān)重要,這時(shí)就要考慮多普勒頻移的影響,通常情況是移動(dòng)速度越快,信道條件越差,不利于通信;其三,認(rèn)知用戶使用空閑頻帶的前提條件是不影響主用戶的正常通信,一般是認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)距離主用戶接收機(jī)越遠(yuǎn)越好,這樣對(duì)主用戶通信造成的干擾小.此外,還有空閑頻帶的可用性等,由于圖1所示的系統(tǒng)模型已明確當(dāng)主用戶不使用空閑授權(quán)頻帶時(shí)認(rèn)知用戶才能接入,所以這里不再考慮該因素.

基于以上分析,選擇認(rèn)知用戶的頻譜利用率、移動(dòng)速度、認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)與主用戶接收機(jī)之間的距離作為三輸入模糊邏輯系統(tǒng)的輸入條件,經(jīng)過(guò)模糊化、設(shè)置控制規(guī)則、解模糊化的過(guò)程,得到認(rèn)知用戶的頻譜接入概率,如圖2所示為三輸入模糊邏輯系統(tǒng)框圖.

圖2所示的模糊邏輯系統(tǒng)的3個(gè)輸入?yún)?shù)的模糊化特性如下:

圖2 三輸入模糊邏輯系統(tǒng)框圖

定義頻譜利用率ηS[7],如式:

(2)

式(2)中,BWs是認(rèn)知用戶需要使用的頻帶,BWa是總的可用頻帶.

表1 模糊規(guī)則表[7]

為保證頻帶分配的有效性,ηs的取值范圍設(shè)為[0,1],當(dāng)ηs∈[0,0.5)表示頻譜利用率低,ηs∈(0.2,0.8)表示頻譜利用率中等,ηs∈(0.5,1]表示頻譜利用率高.根據(jù)以上規(guī)定把頻譜利用率的高低程度分為3種標(biāo)記,如式:

Fηs={低, 中等, 高} .

(3)

每一種標(biāo)記唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)隸屬概率函數(shù),ηs的隸屬概率函數(shù)如圖3(a)所示.

3G LTE對(duì)終端移動(dòng)速度的要求是,0～15 km/h最優(yōu),15～120 km/h處于高性能,120～350 km/h可以正常通信,350～500 km/h僅部分頻帶可用[8].設(shè)認(rèn)知用戶移動(dòng)速度VSU的最大值是350 km/h,對(duì)該最大值做歸一化處理后,VSU∈[0,0.5)表示認(rèn)知用戶移動(dòng)性低,VSU∈(0.2,0.8)表示移動(dòng)性中等,VSU∈(0.5,1]表示移動(dòng)性高.根據(jù)以上規(guī)定把認(rèn)知用戶移動(dòng)性的高低程度分為3種標(biāo)記,如式:

FVSU={低, 中等, 高} .

(4)

表示VSU的隸屬概率函數(shù)如圖3(a)所示.

認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)與主用戶接收機(jī)之間的距離為R,R越大則認(rèn)知用戶對(duì)主用戶正常通信的干擾就越小.設(shè)R最大取值10 km,對(duì)該最大值做歸一化處理后,R∈[0,0.5)表示認(rèn)知用戶與主用戶距離近,R∈(0.2,0.8)表示距離中等,R∈(0.5,1]表示距離遠(yuǎn).根據(jù)以上規(guī)定把認(rèn)知用戶與主用戶距離的遠(yuǎn)近程度分為3種標(biāo)記,如式:

FR={近, 中等, 遠(yuǎn)} .

(5)

表示R的隸屬概率函數(shù)如圖3(a)所示.

圖3 隸屬概率函數(shù)

最后,考慮模糊規(guī)則的結(jié)論模糊集,設(shè)P是每個(gè)結(jié)論模糊集中認(rèn)知用戶接入頻譜的概率,其大小程度分為5種標(biāo)記,如式:

FP={非常低, 低, 中等, 高, 非常高} .

(6)

P取值范圍設(shè)置為[0,1],取值范圍為[0,0.3)表示接入概率非常低,取值范圍為(0.1,0.5)表示接入概率低,依此類推,P的隸屬概率函數(shù)如圖3(b)所示.

在模糊邏輯系統(tǒng)的3個(gè)輸入值ηs、VSU、R屬于3種模糊程度的隸屬概率函數(shù)已知條件下,模糊邏輯系統(tǒng)可判定輸入值ηs、VSU、R所屬的模糊程度;查詢?nèi)绫?所示的模糊規(guī)則表,確定對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則序號(hào),按相應(yīng)序號(hào)的規(guī)則并利用最大-最小方法進(jìn)行模糊推理,得到認(rèn)知用戶的頻譜接入概率的模糊程度集合.

利用重心法將頻譜接入概率的模糊程度集合解模糊化,得該認(rèn)知用戶的頻譜接入概率P,如式:

(7)

通信優(yōu)先級(jí)高且頻譜接入概率大的認(rèn)知用戶,則認(rèn)為其接入該空閑頻帶后通信效果更好.因此,定義認(rèn)知用戶的通信優(yōu)先級(jí)與其頻譜接入概率之積為認(rèn)知用戶基站收益,如式:

M=P·Q.

(8)

最后,認(rèn)知用戶基站將該頻帶分配給使基站收益最大的認(rèn)知用戶.認(rèn)知用戶基站會(huì)檢查是否還有其他能被分配的空閑頻帶,若有,則針對(duì)該頻帶執(zhí)行一次算法進(jìn)行分配;若沒有,則整個(gè)頻譜分配過(guò)程結(jié)束.

1.3 算法描述

基于模糊邏輯的頻譜分配流程圖,如圖4所示.

圖4 基于模糊邏輯的頻譜分配流程圖

1.4 算法復(fù)雜度

設(shè)有n個(gè)認(rèn)知用戶競(jìng)爭(zhēng)1個(gè)空閑頻帶,那么計(jì)算這n個(gè)認(rèn)知用戶帶來(lái)的基站收益,需要考慮式(1)、(2)、(7)和(8).由式(1)、(2)和(8)可知分別要進(jìn)行n次乘法運(yùn)算,對(duì)于式(7),每使用一條模糊規(guī)則視為一次加法運(yùn)算[9],那么計(jì)算n個(gè)認(rèn)知用戶的頻譜接入概率最多需要進(jìn)行8n次加法運(yùn)算、16n次乘法和16n次積分運(yùn)算,積分運(yùn)算可認(rèn)為是對(duì)梯形面積的計(jì)算.則本算法的計(jì)算復(fù)雜度為:

(9)

同樣推理,可得文獻(xiàn)[7]在同樣前提下執(zhí)行一次算法的最大計(jì)算復(fù)雜度為:

(10)

在使用相同數(shù)量的模糊規(guī)則時(shí),本算法的復(fù)雜度要低于文獻(xiàn)[7]的算法.

2 仿真與分析

參考相關(guān)資料可知,3G LTE支持的基站小區(qū)最大覆蓋半徑為100 km,當(dāng)小區(qū)覆蓋半徑在5 km以內(nèi)時(shí)系

表2 仿真參數(shù)設(shè)置表

統(tǒng)的吞吐量最大[8].仿真中假設(shè)認(rèn)知用戶基站小區(qū)覆蓋半徑為1 km,將該距離代入式(1)可得到Qth=1.仿真中系統(tǒng)的其他參數(shù)設(shè)置如表2所示.

在不同的認(rèn)知用戶頻譜利用率、認(rèn)知用戶移動(dòng)速度、認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)與主用戶接收機(jī)之間的距離的輸入值條件下,模糊邏輯系統(tǒng)得到不同的頻譜接入概率.不失一般地,圖5給出的頻譜接入概率是將相應(yīng)算法計(jì)算所得的頻譜接入概率對(duì)其最大值做了歸一化處理的結(jié)果.

圖5的仿真結(jié)果表明:本算法對(duì)比于文獻(xiàn)[7]的算法,在輸入值相當(dāng)?shù)那闆r下,兩種算法得到的認(rèn)知用戶頻譜接入概率是接近的,但本算法復(fù)雜度更低.

圖5 頻譜接入概率

圖6 認(rèn)知用戶移動(dòng)速度對(duì)認(rèn)知用戶基站收益的影響認(rèn)知用戶A、B:ηs=0.606 8,RBS=0.109 1 km

圖6所示為認(rèn)知用戶移動(dòng)速度對(duì)認(rèn)知用戶基站收益的影響的曲線圖.圖6中兩個(gè)認(rèn)知用戶A、B的頻譜利用率ηs和認(rèn)知用戶與認(rèn)知用戶基站的距離RBS相同,但認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)與主用戶接收機(jī)之間的距離R是不同的.由圖6可知,同一認(rèn)知用戶帶來(lái)的基站收益是隨著其移動(dòng)速度VSU的增大而減小的,這是因?yàn)橐苿?dòng)速度越大,模糊邏輯系統(tǒng)計(jì)算得到的頻譜接入概率越小.不同認(rèn)知用戶在相同移動(dòng)速度下帶來(lái)的基站收益是不同的,認(rèn)知用戶A帶來(lái)的基站收益更大,這是因?yàn)檎J(rèn)知用戶A的發(fā)射機(jī)與主用戶接收機(jī)之間的距離更遠(yuǎn),模糊邏輯系統(tǒng)計(jì)算得到的頻譜接入概率更大.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文作者在可用空閑頻帶數(shù)量少于認(rèn)知用戶數(shù)量的前提下,采用集中式的頻譜分配方式,將認(rèn)知用戶基站的信號(hào)覆蓋面積問題轉(zhuǎn)化成對(duì)每個(gè)認(rèn)知用戶的通信優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分,而對(duì)認(rèn)知用戶的頻譜利用率、移動(dòng)速度、認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)與主用戶接收機(jī)的距離等物理因素,則設(shè)計(jì)三輸入的模糊邏輯系統(tǒng)進(jìn)行模糊邏輯運(yùn)算,得到了每個(gè)認(rèn)知用戶的頻譜接入概率.認(rèn)知用戶的通信優(yōu)先級(jí)與其頻譜接入概率之積定義為基站收益,頻譜分配的目標(biāo)是基站收益最大化.

本文作者提出的算法在頻譜分配的過(guò)程中能使基站收益最大化.仿真證實(shí)了該方法的可行性.與文獻(xiàn)[7]得到的頻譜接入概率是接近的,但計(jì)算復(fù)雜度較文獻(xiàn)[7]降低.然而,執(zhí)行一次算法不能分配多個(gè)頻帶,下一步要關(guān)注的是怎樣解決該問題.如何在可用空閑頻帶數(shù)量不少于認(rèn)知用戶數(shù)量的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行頻譜分配,也需要進(jìn)一步地研究.

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