第37卷第1期2013年1月燕山大学学报JournalofYanshanUniversityVol.37No.1Jan.2013文章编号：一种基于轮询的认知无线网络频谱分配机制及性能分析金顺福*，徐德娜，赵媛（燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004）摘要：在认知无线网络中，认知用户机会式地占有授权用户暂时不使用的频谱，从而提高频谱的利用率。在采用集中式频谱分配机制时，认知用户对空闲频谱的使用由中央控制器协调和管理。由于授权用户对频谱的使用具有抢占优先权，使得认知用户的数据传输可能被中断。考虑认知用户对空闲频谱使用的公平性，提出一种基于纯限量轮询策略的频谱分配机制，并建立具有传输中断的离散时间纯限量多重休假排队模型。使用再生循环法，对所提出的频谱分配机制进行性能分析，给出平均响应时间、吞吐量、频谱切换率和频谱有效利用率的表达式。通过数值实验和系统仿真，分析系统性能指标对系统负载的依赖关系，并给出授权用户业务量的优化方案。关键词：认知无线网络；频谱分配；抢占优先权；纯限量轮询策略；中断服务；性能指标中图分类号：文献标识码：：0引言题。近年来，有一些学者运用博弈理论研究了频谱分配策略，并对其进行了性能分析。文献[4]综合考虑不确定带宽和空间重利用分析了认知网络的价格竞争体系。通过寻找纳什均衡点，给出了有效的对称纳什均衡。文献[5]综合考虑主用户的最大收益以及次用户收益受到带宽的影响，提出了一种改进的认知无线电频谱共享模型。在现代无线电通信网络中，频谱是非常宝贵且有限的资源。在目前普遍采用的静态频谱分配方案中，一个频道一般仅供一个无线电通信系统独立使用，这种静态的无线电频谱管理方式简单，而且可以有效地避免不同无线电通信系统间的相互干扰。然而，大量研究报告[1]表明，采用静态频谱分配方案时，非授权频谱被频繁占有，而授权频谱只是偶尔使用，其使用率通常仅为6%左右。为了平衡频谱分配，同时提高频谱利用率，在认知无线电[2]技术中，提出了一种动态频谱分还有一些学者运用排队理论研究了频谱分配策略及系统性能。文献[6]提出了一种基于帧的集中式频谱调度策略。将一个标记用户的状态描述为离散时间马尔可夫链，对认知用户的平均吞吐量及阻塞率等性能进行了分析。文献[7]假设认知网络中有一个授权用户和多个不同优先级的认知用户共享频谱资源，提出了基于抢占优先排队规则的机会式频谱接入模型，并分析了授权用户和认知用户的服务质量（QoS，QualityofService）。文献[8]针对延迟敏感的网络，提出了一种自适应的算法，将可以满足延迟限制的信道分配给相应的在认知无线网络中，使用授权频段的用户称为授权用户，不拥有任何频段而只能利用空闲频谱进行通信的用户称为认知用户。授权用户对频谱的使用具有抢占优先权，在不对授权用户造成干扰的条件下，允许认知用户机会式的接入分配给授权用户的频谱[3]。为了减少认知用户对授权用户的干扰，在试图传输数据包前，认知用户必须先进行频谱感知。只有检测出频谱是空闲的时候，认知用户才可以使用该频谱进行数据传输。如何为认知用户分配可用频谱，是能否有效地提高频认知用户。通过建立//1抢占优先级排队模型，分析了单一认知用户和多个授权用户情况下的多收稿日期：2012-06-06基金项目：河北省自然科学基金资助项目（F2012203093）作者简介：*金顺福（1966-），女，内蒙古满洲里人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为计算机系统及网络的性能分析与性能优化等，Email：jsf@ysu.edu.cn。问的队列有顾客存在，则最多服务一个顾客，服务完成（数据包正常传输完成，或者因授权用户的到达而中止传输）后，服务台离开此队列；若该队列没有等待的顾客，则服务台立即离开此队列服务台离开一个标记用户后，经过一个长度为的队列切换时间，开始为下一个认知用户传输数据。从服务台离开标记用户时刻开始，直到再次访问该标记用户为止的时间段抽象为一个休假期。从服务台访问标记用户时刻开始，直到离开该标记用户为止的时间段抽象为一个服务期。如果一次休假结束时系统中没有数据包需要传输，就接续另一次休假，为简单起见，假定两次休假期之间有一个长度为零的服务期。因此，本...