认知无线电网络中的信道可用性与服务保持性建模的局限性及改进方法

沙特国王大学学报认知无线电网络Abd Ullah Khana，Muhammad Tanveerb，Wali Ullah Khanca巴基斯坦伊斯兰堡44000国立科技大学俾路支校区计算机科学系b巴基斯坦GIK工程科学与技术学院计算机科学系c卢森堡大学安全、可靠性和信任跨学科中心（SnT）阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年8月26日收到2021年10月26日接受2021年11月4日网上发售保留字：认知无线电网络可靠性频谱利用效率A B S T R A C T在资源有限的环境下，如何满足用户对信道可用性和服务保持性的服务质量（QoS）要求，一直是认知无线电网络面临的主要问题。在这方面，在文献中已经进行了若干研究，以通过提出动态信道预留算法来提高用户的QoS。然而，这些研究在信道可用性和服务保持性的概念和数学建模方面存在一些局限性，这使得它们的性能评估不可靠。在本文中，我们解决了这些限制，导致更现实，可靠和实际有效的建模。对于概念建模，我们使用连接可用性代替通道可用性，其动机是后者不一定导致连接的成功建立，因此不是合适的性能指标。例如，如果预期的接收器不可访问，则获得用于传输的信道是无用的。同样，我们认为服务的可保留性与可访问性/不可访问性的预期接收器纳入。对于数学建模，我们使用CTMC和结果封闭的表达式，以包括所有所需的状态的信道可用性，但不成功的连接建立。此外，我们推导出封闭的形式方程的通道的可用性和服务的可保留性是完全符合CTMC模型。结果表明，考虑接收机的可接入性的影响版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍1.1. 动机认知无线电网络（CRN）是一种新兴的网络范例，其中存在两种类型的用户，即主用户（PU）和次用户（SU）（Balapuwaduge等人，2018年）。PU是网络的原始和授权用户，有权在他们想要的时候使用他们的网络SU是未经许可的用户，使用网络*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： seecs.edu.pk （ A.U.Khan ） ， tanveer. m@giki.edu.pk （ M.Tanveer），waliullah. uni.lu（W.U. Khan）。沙特国王大学负责同行审查制作和主办：Elsevier渠道投机，即，只有当没有PU需要使用通道时（Khan和Abbas，2021）。以信道可用性和服务保持性的形式提供可接受的服务质量（QoS）水平 一 直 是 CRN 研 究 界 的 关 键 目 标 （ Khan ， 2020 ） 。 为 此 ， 在（Balapuwaduge）设计了大量的计划例如，2018; Abbas 2021;Khan和Abbas 2021; Khan，2020和Khan和Abbas，2020），其中作者 试 图 分 析 信 道 预 留 下 的 频 谱 效 率 。 在 这 方 面 ， 作 者 在（Balapuwaduge等人，2018; Abbas，2021;Khan和Abbas，2021;Khan，2020以及Khan和Abbas，2020）已经提出了动态信道预留算法和基于动态频谱接入（DSA）的方案。信道预留算法动态地将频谱的整个频带划分为预留频带和非预留频带。预留频带专门为那些在非预留频带中面临中断并且不能被任何用户直接访问的用户预留。信道限制的最大数量Rmax被固定为根据业务负载动态地分配给保留频带。研究采用了连续时间马尔可夫链（CTMC）建模。对于性能评估，四个重要的-https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2021.10.0101319-1578/©2021作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comAbd Ullah Khan，M.Tanveer和Wali Ullah Khan沙特国王大学学报8751在不同的信道失效率和PU到达率下，考虑和评估了动态QoS指标，即用户 容 量 、 信 道 可 用 性 、 保 持 性 和 网 络 不 可 用 概 率 。 类 似 地 ，在（Zaghouani等人，2021;Nemouchi等人，2021和Zaghouani等人，2019）已经调查了CRN的可靠性方面。然而，考虑到这些研究的概念和数学建模，这些研究存在一些局限性，这些局限性将在以下章节中详细阐述。1.2. 概念局限这些研究将信道可用性作为性能指标。然而，获取通道并不能完成成功通信的所有步骤只有当发送器（Tx）也可访问预期接收器（Rx）时，才能保证连接建立（Younes等人， 2013年）。例如，在无线通信中，Rx偶尔不可用，部分原因是Rx关闭、在覆盖范围之外、繁忙或处于过度噪声下。 Rx经常面临这样的情况，因为除了其硬件限制之外，还存在与无线通信相关联的环境动态（Cardote等人，2010年）。在这种情况下，不仅信道可用性，而且Rx可访问性对于保证通信也至关重要（Shooman，1995）。这促使我们引入连接可用性，我们将其定义为成功建立连接的概率，用于性能评估（Shooman，1995）。因此，连接可用性不仅考虑信道可用性，还考虑Rx可访问性。这个因素使得连接可用性比信道可用性更适合作为分析网络性能的性能指标1.3. 数学限制由于考虑了接收机的可达性或不可达性的概念这意味着需要增加或减少CTMC中的状态的数量，以包含由所提出的方法产生的所有状态。由于CTMC模型的扩展，需要重新推导其封闭形式的表达式，以完整地反映网络为了解决与现有文献相关的上述局限性，我们进行了这项研究，并做出了以下贡献。我们将Rx可访问性纳入通道可用性中，以获得连接可用性，这是一个更现实的CRN性能评估性能指标。类似地，我们将Rx可访问性纳入服务可保留性，使其成为一个更现实的性能指标。我们开发了一个CTMC模型，并推导出公式的连接可用性和服务可保持性，与Rxaccessibility考虑。我们评估了各种PU和SU的到达率和信道故障率下的所有性能指标我们发现，信道可用性和连接可用性之间存在显着的性能差异，忽略/考虑Rx可访问性的影响下评估的服务可保留性之间存在显着的性能差异。本文件其余部分的结构如下。系统模型将在下一节中介绍。参数的数学公式在第3节中推导。第四节给出了数值结果和讨论，第五节是本文的结论。2. 系统模型为了分析我们提出的方法，我们使用图1所示的系统模型。存在两种类型的网络，以PU作为其用户的主网络和以SU作为其用户的辅助网络。这是一个典型的基于基础设施的CRN模型，在上述文献中采用。此外，我们使用在（Balapuwaduge等人，2018年，作为参考。对于通道访问权限，我们使用图2中列出的优先级机制。因此，我们开发了我们的CTMC模型与Rx可访问性的考虑，以反映一个完整的实现现实世界的网络。接下来，我们详细阐述了信道预留算法。随后，我们解释了信道分配过程和我们的CTMC模型。算法1 DCR算法Fig. 1.具有PU和SU的认知无线电网络。●●●Abd Ullah Khan，M.Tanveer和Wali Ullah Khan沙特国王大学学报8752ðÞð Þð Þ ¼ ð Þþ ð Þ ð Þð Þ¼¼¼ð Þþð ÞXð Þ明智的是，当在保留频带中操作的SU面临干扰时，它访问保留频带中的空闲。如果在保留频带中不存在空闲信道，则它访问空闲信道在非保留频带中。如果在非预留频带中也不存在空闲信道，则其接入在非预留频带中工作的被占用信道或SU。如果在非保留频带中不存在SU，则其接入由在非保留频带中操作的PU占用的信道。值得注意的是，由于通道故障或具有优先级的用户，可能会发生中断。2.3. CTMC模型图二. 优先顺序。2.1. 信道预留算法图3示出了将网络的频谱分配在算法1中，计算网络中占用信道数与总可用信道数之比。该比率被称为当前业务负载（w），并且其特征在于S-1水平。这些级别由scon区分可配置的输入参数c1; c2;. c的值的范围在算法中描述。这意味着，对于s2;w，其特征在于三个水平：高、中、低。因此，配置可以是c10： 70和c20： 35。这边，高，中，和低流量是表示分别以wP0：70、0：35、6w<0：70和w<0：35处理。在计算w之后，指定相关联的业务负载水平。根据Rmax，将低值或高值分配给保留的根据第17行中列出的计算，分别计算业务负载水平低或高时的带宽该算法提供了两个工作-ing模式，使网络运营商能够指定所需的表1显示了所提出的模型的状态转换率表。的源过渡状态是假定到被其中pn;sn;pr;sr;f;k分别表示非保留频带中的PU、非保留频带中的SU、非保留频带中的SU和非保留频带中的SU的数量预留频带、预留频带中的PU、预留频带中的SU、整个网络中的故障信道以及整个网络中的活动连接。符号RxP和RxS分别表示PU和SU的预期接收器。Xx表示状态x中占用信道的总数，其中Xx Xnx Xrx。Xnx和Xrx分别表示在状态x下非保留频带和保留频带中占用信道的总数。T表示分配给网络的完整频带中的信道的总数，并且RCH x表示状态x中的保留信道的数量。的符号IP和IS分别表示PU和SU服务速率，而IR表示信道修复率。PU和SU的到达率和信道故障率分别由kP、kS和kF表示。Rx的可达性使用高斯随机变量建模其中Pt;tdt是在时间t和t dt之间找到处于ON或可访问状态的Rx的概率，p t是由（Tse和Zeitouni，2000）pt1e-t-tavg2=2r21通过分配在可保持性和信道可用性之间进行权衡ðÞ ¼rpffi2ffiffipffiffi ffi：刘伟将更多或更少数量的信道分配给预留或非预留频带。例如，模式1被设计为增强服务保持能力，而模式2被设计为增强信道可用性。2.2. 信道分配当新的PU需要信道时，如果不存在空闲信道，则它访问空闲信道或SU占用信道类似地，当新的SU需要信道时，它访问空闲信道。当在非保留频带中操作的现有PU或SU中断时，其访问保留频带中的空闲信道。当在预留频带中操作的PU面临中断时，它访问预留频带中的空闲信道如果在保留频带中不存在空闲信道，则其接入非保留频带中的空闲信道或非保留频带中的SU占用信道就像-符号t avg表示Rx的平均ON或可访问时间，并且r是标准偏差。从表1中，我们得到一个转移率矩阵，用P表示。转移率P还用于找到由于各种用户的活动而发生的网络的各种状态的稳态概率p。在这方面，我们用px表示状态x的稳态概率。以同样的方式进行，我们计算稳态概率，每个国家作为pωP<$0;p<1/2x2S其中p表示稳态概率向量，0是全零的行向量。3. 性能参数使用Eq. （2）使我们能够公式化连接可用性和服务保持能力，如下所述。3.0.1. 连接可用性服务i的连接可用性（CAi）可以表示为CAI¼CHAi- CHAR1/4-iBLP-CHAR;ð3Þ图三. 非保留和保留频段。Abd Ullah Khan，M.Tanveer和Wali Ullah Khan沙特国王大学学报8753表1状态转换表。事件目的地状态Trans.率条件1.PU进入网络。未使用的信道存在于非保留频带中。RxP不可访问。2.PU进入网络。未使用的信道存在于非保留频带中。RxP是可访问的。3.PU进入网络。在非保留频带中不存在未使用的信道SU执行到保留频带的切换。RxP不可访问。4.PU进入网络。在非保留频带中不存在未使用的信道SU执行到保留频带的切换。RxP是可访问的。5.PU进入网络。在非保留频带中不存在未使用的信道非保留频带中的SURxP不可访问。6.PU进入网络。在非保留频带中不存在未使用的信道非保留频带中的SURxP是可访问的。7.进入网络。未使用的信道存在于非保留频带中。RxS无法访问。8.进入网络。未使用的信道存在于非保留频带中。RxS可以访问。pnpnpnpnkPXn011.SU从非保留频带离开。pn;sn-1;pr;sr;f;k-112.SU从预留频段出发。pn;sn;pr;sr-1;f;k-113.未使用的通道失败。pn;sn;pr;sr;FXxT14.用户占用的通道失败。存在未使用的通道15.用户占用的通道失败。CRN中不存在未使用的信道。非保留频带中的SU终止。16.用户占用的通道失败。CRN中不存在未使用的信道。保留频带中的SU终止。17.用户占用的通道失败。CRN中不存在未使用的信道。非保留频带中的PU终止。18.用户占用的通道失败。CRN中不存在未使用的信道。保留频带中的SU终止。19.用户占用的通道失败。CRN中不存在未使用的信道。保留频带中的PU终止。pn;sn;pr;sr;fpn;sn-1;pr;sr;fn;sn;pr;sr-1;fn1;k-1n=0;k= 1n=0; kpn-1;sn;pr;sr;fpn;sn;pr;sr-1;fpn;sn;pr-1;sr;f20.故障通道已修复。pn;sn;pr;sr;f-1;k其中CHAR表示对于服务i，信道可用但预期Rx不可访问的概率。符号CHAi和iBLP分别表示服务i的信道可用性和阻塞概率。在数学上，PU（CAPU）和SU（CASU）的连接可用性可以分别表示为：PUBLP¼1-CAPU;106gSUBLP¼1-CASU：1073.0.2. 服务可保持性CAPU¼1-Xpx-Xpx;x2S：用户i（i）的服务可保持性）表示概率Xx¼T或XnxT-RCHx;sn<$0XxT或XnxT-RCHx;RxP¼0ð4ÞRET在建立连接之后，向用户提供预定持续时间的服务和规定的数据速率与目的地相关联（Balapuwaduge等人， 2018年）。这可以CASU1-Xpx-Xpx;x2S;被数学表达为Xx¼T或XnxT-RCHxXxT或XnxT-RCHx;RxS¼0IRET 1/4-FTP; 1 /8-FTPð5ÞPU（PUBLP）和SU（SUBLP）的阻塞概率分别由下式给出：其中FTP表示服务i的强制终止概率，其取决于由于信道故障和高优先级服务到达而导致的强制终止率。根据上述公式推导出SU（SU0RFT）和PU（PU 0RFT）的强制终止率表达式，Abd Ullah Khan，M.Tanveer和Wali Ullah Khan沙特国王大学学报8754X¼FTPKP¼XX通道故障，可以分别表示在提出的模型为首先，我们分析并比较了在我们的模型中推导出的连接可用性与信道可用性，SU0RFT ¼kFT-fpx;x2S;9XxT;sn>0r或RB n nn nxn =0且Rn xn=6Rmax;sr>0r业务负载和信道故障率的有效性。随后，我们分析了我们的模型和（Balapuwaduge等人， 2018年）在服务可保留性评估方面-在各种业务负载和信道故障率下进行。的PU0RFT¼kFT-fpx;x2S：10Xx¼Tsn<$0;pn> 0以同样的方式，由于PU（SURFT）到达而导致SU被迫终止的比率为：SURFT¼kPpx;x2S：111XxT;sn>0新到达的SU的有效信道分配速率由KS表示，并且由KS^KSSUCHA给出（Khan和Abbas，2021）。因此，SU的FTP（SUFTP）变为结果使用MATLAB R-2018 a得出此外，在算法1的两种模式下的性能增益在结果中给出。此外，表2中描述的参数值用于生成结果。4.1. 连接可用性图4示出了作为kP和kF的函数的SU和PU的连接可用性和信道可用性。如图 4a，在模式1下，观察到13%的降低，SUFTP¼ 简体中文RFT SU0RFTKS;2012年连接可用性与SU在kP1/48处的信道可用性相比。类似地，在模式2下，在相同的kP值下，两个性能指标之间的差为10%。 图 4b，因此，SU的服务可保持性的表达式（SURET）是在kP8时，发现连接可用性降低了8%，在模式1下，PU的信道可用性根据方式SURET 公司简介FTP：13132，与相同kP值下的信道可用性相比，连接可用性下降了8%。 图 4c，在kF1/4 0：1时，因此，由于信道故障引起的PU的FTPPU FTP可以被给出为：PU14PU0RFT;14mm其中，KP表示有效信道分配速率，并且由KP^kPPUCHA给出。因此，PU的可保持性（PURET）由下式给出：PURET¼1-PUFTP：150毫升4. 数值结果及讨论我们评估我们提出的模型，并将其与（Balapuwaduge et al.，2018年）。在这方面-表2分析中使用的参数及其默认值参数配置T8通道kS;kP5/单位时间lR1/单位时间lP;lS2/单位时间Rmax4通道kF0.05/单位时间连接可用性下降4%，模式1下SU的信道可用性。在模式2下，在相同的kF值下，在两个性能指标之间注意到4%的下降。4.2. 服务可保持性图 5a和图图5b分别示出了SU的服务保持能力（SU RET）作为kP和kF的函数。在图5a中，在kP8;SURET，在模式1下，我们的模型之间观察到4%的性能差异以及（Balapuwaduge等人，2018年，在苏？类似地，在模式2下，在我们的模型和（Balapuwaduge et al.， 2018年），在相同的kP值下 的SURET。在图5 b中，在kF/4 0：25时，我们模型中模式1下的SU RET与SURET的偏差高达5%。 提出（Balapuwaduge等人， 2018年）。类似地，在模式2下，在相同的k F下，差异扩展到8%。图 5 C和图。 5d说明P U 的服务可保持性（PURET）分别作为kP和kF 在图5c中，在kP1/4 8处，我们的模型中模式1下的PU RET与由（Balapuwaduge等人，2018年）。类似地，在模式2下，我们的模型显示PU RET与由（Balapuwaduge等人， 2018年，在K？ 在图5d中，在kF1/4 0：25;我们的模型中模式1下的PU RET显示出与（Balapuwaduge等人， 2018年）。同样地，Abd Ullah Khan，M.Tanveer和Wali Ullah Khan沙特国王大学学报8755图四、PU和SU的连接可用性和信道可用性之间的性能比较，作为kP和kF的函数。Abd Ullah Khan，M.Tanveer和Wali Ullah Khan沙特国王大学学报8756图五、PU和SU的可保持性作为kP和kF的函数的性能比较。在模式2下，在我们的模型和（Balapuwaduge等人， 2018年）在PU RET中，kF相同。4.3. 讨论在本文中，我们证明了考虑Rx的可访问性的CRN的性能评估的影响。为此，我们引入了连接可用性，而不是广泛使用的性能指标，通道可用性，通过将Rx可访问性的影响，在通道可用性。 随后，我们还纳入了Rx的可访问性的影响，使分析现实的服务可保留性。我们证明了一个显着的性能差异通道的可用性，在文献中考虑，我们介绍的性能指标，连接可用性。同样，我们表现出显着的差异，不考虑Rx的可访问性，在现有的文献中，产生的服务可保留性与Rx的可访问性考虑。分析表明，现有文献中对CRN的性能评估是不完整和不现实的，因为考虑Rx可接入性对网络性能有重要影响。分析还表明，在性能评估中考虑Rx可达性导致更现实和更合乎逻辑的分析。该研究可为网络运营商提供除了学术意义外，本研究也存在一定的局限性。首先，它考虑完美的频谱感测。第二，没有进行试验台试验。第三，只考虑两个性能指标这些局限性是我们今后研究的重点。5. 结论在本文中，我们已经调查了CRN的性能分析的可靠性，考虑Rx的可访问性，除了资源的可用性。因此，我们引入了连接可用性作为更可靠的性能指标，包括Rx可访问性。此外，我们在服务可保留性中纳入了Rx可访问性，使其成为更可靠的性能指标。通过评估CRN下多个PU的，SU的，和信道故障到达率表明，考虑Rx的可访问性导致的结果，在不同程度上从那些实现在传统的这意味着Rx可访问性对性能分析具有重要影响，需要加以考虑。该研究可以潜在地减少在理论分析下获得的CRN的性能差异，并在实践中实现。在未来，我们计划扩展该模型，以分析现有的文献更现实地假设不完善的频谱感知，并利用试验台实验，同时考虑更多的性能指标。Abd Ullah Khan，M.Tanveer和Wali Ullah Khan沙特国王大学学报8757竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用巴拉普瓦杜格，洛杉矶，Li，F.Y.，普拉河，2018.信道故障时CR网络的动态频谱预留：信道分配和可靠性分析。IEEE Trans.无线通信 17（2），882-898。Abbas，G.例如， 2021. 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