摘 要： 將動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)引入到車輛通信網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種使用空閑廣播電視信道進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)頻譜接入的模型。該模型將用戶通信需求分為緊急和普通服務(wù)請求，構(gòu)建馬爾科夫鏈分析其服務(wù)過程，得到了能夠滿足不同需求的分析模型。仿真結(jié)果表明，該模型能準(zhǔn)確分析車輛動(dòng)態(tài)頻譜接入的過程，當(dāng)空閑信道數(shù)增加時(shí)平均等待時(shí)間減少，緊急服務(wù)請求的平均等待時(shí)間和平均隊(duì)列長度都遠(yuǎn)小于普通服務(wù)請求。
關(guān)鍵詞： 車輛動(dòng)態(tài)頻譜接入；緊急服務(wù)請求；普通服務(wù)請求；馬爾科夫鏈
0 引言
車輛通信網(wǎng)絡(luò)可以向駕駛?cè)藛T提供安全信息、道路狀況及位置等輔助駕駛信息[1]，也可以向乘客提供位置服務(wù)和娛樂服務(wù)等，將來車輛通信網(wǎng)絡(luò)有望成為分布最廣、規(guī)模最大的自組織網(wǎng)絡(luò)。車輛用戶不斷增長會(huì)帶來頻譜資源不足的問題，大量車載應(yīng)用必然會(huì)導(dǎo)致所需帶寬增加。動(dòng)態(tài)頻譜接入（Dynamic Spectrum Access，DSA）技術(shù)可以在一定頻譜范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)選擇工作頻譜，并利用在一定時(shí)域、空域或頻域上出現(xiàn)的“頻譜空洞”進(jìn)行通信，以提高頻譜利用率[2]。DSA技術(shù)允許在不影響授權(quán)用戶[3]（PU）正常使用的情況下，次級(jí)用戶（SU）臨時(shí)占用未被使用的授權(quán)頻段[4]。2004年10月，IEEE正式成立無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WRAN工作組[5]的目的就是將分配給電視廣播的VHF/UHF用作寬帶訪問線路，自動(dòng)檢測空閑頻段資源并加以使用。
為了將DSA技術(shù)應(yīng)用到車輛通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，解決未來車輛通信專用頻譜資源不足的問題，本文研究了車輛動(dòng)態(tài)頻譜接入VDSA的若干問題。VDSA是指將已授權(quán)給其他業(yè)務(wù)應(yīng)用的無線信道作為車輛通信信道使用，在保證當(dāng)前無線信道服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)增加傳輸容量，提高頻譜利用率。UHF廣播電視頻段470 MHz~698 MHz[6]通常作為VDSA首選頻段，這一頻段的信道利用率相對穩(wěn)定，并且具有優(yōu)越的信號(hào)傳播特性[7]。某時(shí)刻廣播電視信道的占用情況如圖1所示，通常該頻段占用不連續(xù)，需要利用其中的空閑信道進(jìn)行VDSA系統(tǒng)的研究與分析。
1 基于M/M/k/∞/PR的VDSA系統(tǒng)
1.1 環(huán)境建立
把UHF頻段的廣播電視用戶稱為PU，把有通信請求的車輛節(jié)點(diǎn)稱為SU。如圖2所示，SU的通信請求由車載單元OBU產(chǎn)生，然后發(fā)送至路側(cè)單元RSU，RSU負(fù)責(zé)與基站或網(wǎng)絡(luò)的連接建立[8]。假設(shè)車輛通信占用信道帶寬與廣播電視信道帶寬均相同，由于短時(shí)間內(nèi)在固定位置處廣播電視信道的利用率相對穩(wěn)定，車輛進(jìn)入RSU覆蓋范圍的時(shí)間段內(nèi)可用空閑信道數(shù)不變。
SU的通信請求可以分為兩大類：一類是與交通安全有關(guān)的信息，稱之為緊急服務(wù)請求（ESR）；另一類是普通車輛用戶的普通服務(wù)請求（GSR）。ESR有空閑信道的優(yōu)先選擇權(quán)，但它不會(huì)中斷正在接受服務(wù)的GSR而搶占信道。
1.2 動(dòng)態(tài)頻譜接入機(jī)制
由于PU享有信道絕對使用權(quán)，只有在空閑信道存在的條件下SU才能進(jìn)行頻譜接入。在每個(gè)RSU的覆蓋范圍內(nèi)，不同SU的通信請求都會(huì)抽象為一個(gè)虛擬的服務(wù)請求隊(duì)列SRQ。每當(dāng)SU進(jìn)入此范圍都將按照以下機(jī)制接受服務(wù)：
（1）某SU發(fā)出GSR服務(wù)請求，若此時(shí)有空閑信道且SRQ為空，則該GSR立即占用一個(gè)空閑信道接受服務(wù)；若此時(shí)無空閑信道或SRQ不為空，則將該服務(wù)請求加入SRQ中排隊(duì)等待；
（2）某SU發(fā)出ESR服務(wù)請求，若此時(shí)有空閑信道且SRQ為空，則該ESR立即接受服務(wù)；若此時(shí)無空閑信道或SRQ不為空，則它將排在SRQ中所有GSR的前面排隊(duì)。同一優(yōu)先級(jí)的服務(wù)請求按照先進(jìn)先出進(jìn)行排隊(duì)。
當(dāng)某一空閑信道的SU服務(wù)完成，則該信道立即被釋放，此時(shí)排在隊(duì)首的SR立刻占用此信道接受服務(wù)。在一個(gè)RSU覆蓋范圍內(nèi)，SU的數(shù)量有限，隊(duì)列容量可視為無窮大，如果將每個(gè)空閑信道抽象為一個(gè)服務(wù)窗，則此隊(duì)列模型可以看作多服務(wù)窗、多優(yōu)先級(jí)非搶占型先進(jìn)先出隊(duì)列，即M/M/k/∞/PR隊(duì)列，模型如圖3所示。
1.3 VDSA系統(tǒng)的隊(duì)列模型分析
假設(shè)服務(wù)窗個(gè)數(shù)為k，信道狀態(tài)只有“占用/空閑”兩種。假設(shè)車輛到達(dá)過程相互獨(dú)立，到達(dá)率為λv（輛/s），則SU的到達(dá)過程也相互獨(dú)立并且服從泊松分布，ESR和GSR的到達(dá)率分別為λ1和λ2，SU總到達(dá)率為：
λs=λ1+λ2（1）
SU服務(wù)時(shí)間相互獨(dú)立并且服從指數(shù)分布，ESR和GSR離開率均為?滋s。這樣就建立了一個(gè)連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。
根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可以求出系統(tǒng)的平穩(wěn)分布為：
假設(shè)
。之后就可以求排隊(duì)系統(tǒng)隊(duì)列長度和等待時(shí)間。隊(duì)列長度的表達(dá)式為：
根據(jù)Little公式[9]可得等待時(shí)間的表達(dá)式為：
1.3.1 緊急服務(wù)請求的服務(wù)過程
根據(jù)頻譜接入機(jī)制，當(dāng)具有較高優(yōu)先級(jí)的ESR到來時(shí)，如果此時(shí)沒有空閑信道，則將它排在所有ESR的末尾，所有GSR的最前面。假設(shè)此時(shí)隊(duì)列中已有n0個(gè)ESR，則該ESR在隊(duì)列中的等待時(shí)間TESR等于某一信道占用的剩余時(shí)間T0和n0個(gè)ESR的服務(wù)時(shí)間T1之和：
則ESR的平均隊(duì)列等待時(shí)間為：
ESR的平均隊(duì)列長度為：
LESR（k）=λ1WESR（k）（8）
1.3.2 普通服務(wù)請求的服務(wù)過程
當(dāng)較低優(yōu)先級(jí)的GSR加入隊(duì)列時(shí)，假設(shè)此時(shí)隊(duì)列中已經(jīng)有n0個(gè)ESR和n1個(gè)GSR，該服務(wù)請求加入到全部隊(duì)列的末尾，并且在排隊(duì)等待期間又有n′0個(gè)ESR加入到該隊(duì)列。則該服務(wù)請求的服務(wù)等待時(shí)間TGSR等于T0、T1、n1個(gè)GSR的服務(wù)時(shí)間T2以及在排隊(duì)等待期間到達(dá)的n′0個(gè)ESR的服務(wù)時(shí)間T′1之和，E[T0]和E[T1]已經(jīng)得到。
假設(shè)在該GSR排隊(duì)等待期間到來的n′0個(gè)ESR的服務(wù)時(shí)間T11（n）和n′0相互獨(dú)立，則n′0個(gè)ESR的平均服務(wù)時(shí)間為：
則整個(gè)SRQ的平均隊(duì)列長度為：
L（k）=LESR（k）+LGSR（k）=λ1WESR（k）+λ2WGSR（k）（13）
整個(gè)SRQ的平均等待時(shí)間為：
2 仿真結(jié)果分析
通過實(shí)地調(diào)研，得到南京長江大橋的日車流量為2萬~7.5萬輛，車輛速度在10 km/h~55 km/h，則λv取值范圍是0.231~0.868（輛/秒），設(shè)λs=0.6λv=（0.139，0.520）。基于車輛數(shù)量增多的情況下緊急情況出現(xiàn)的概率也會(huì)增多，選取λ1=0.2λ2，?滋s=0.4。利用上述公式可以得到ESR和GSR的平均等待時(shí)間和平均隊(duì)列長度，通過MATLAB仿真得到結(jié)果如圖5、圖6所示。
從圖5可以看到，隨著λs的增加，ESR和GSR的平均等待時(shí)間都會(huì)相應(yīng)增加。這是因?yàn)楫?dāng)車輛增多時(shí)，車速相應(yīng)降低，在RSU范圍內(nèi)的通信請求數(shù)量也會(huì)快速增多。由于ESR優(yōu)先級(jí)較高，當(dāng)k一定時(shí)，ESR平均等待時(shí)間遠(yuǎn)小于GSR的平均等待時(shí)間，這是所希望得到的結(jié)果。另外當(dāng)可用信道數(shù)量增加時(shí)，平均等待時(shí)間大幅降低，這說明可用信道數(shù)量直接影響ESR和GSR的平均等待時(shí)間。當(dāng)空閑的廣播電視信道達(dá)到某一數(shù)值后，隊(duì)列的平均等待時(shí)間可以忽略不計(jì)。
圖6給出了只有2個(gè)可用信道情況下，ESR、GSR與整個(gè)SRQ的平均隊(duì)列長度的曲線圖。可以看出，隨著車輛到達(dá)率λs的增加，平均隊(duì)列長度也相應(yīng)增加，但ESR的平均隊(duì)列長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GSR的平均隊(duì)列長度，這是因?yàn)镋SR的數(shù)量少于GSR，優(yōu)先級(jí)也比GSR高。當(dāng)λs增加時(shí)，GSR的平均隊(duì)列長度快速增加，而ESR的平均隊(duì)列長度增加緩慢，這也符合實(shí)際要求。因此，整個(gè)SRQ的平均隊(duì)列長度十分接近GSR的平均隊(duì)列長度。
利用M/M/k/∞/PR隊(duì)列模型分析VDSA的仿真結(jié)果表明，空閑廣播電視信道數(shù)量的增加會(huì)大大縮短隊(duì)列平均等待時(shí)間和隊(duì)列長度，即使在數(shù)量較少的情況下也依然有良好的表現(xiàn)。將服務(wù)請求分類并設(shè)置優(yōu)先級(jí)確保了緊急事件消息的優(yōu)先發(fā)送，這種接入機(jī)制合理地滿足了系統(tǒng)的服務(wù)原則。
4 結(jié)論
本文提出了一種利用空閑廣播電視信道進(jìn)行VDSA的分析模型。通過建立連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈，構(gòu)建了在具有k個(gè)可用信道的情況下具有兩級(jí)優(yōu)先權(quán)的隊(duì)列模型，描述了動(dòng)態(tài)頻譜的接入機(jī)制，通過理論分析求解系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分布，給出了ESR和GSR的平均等待時(shí)間和平均隊(duì)列長度表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)模型能確保緊急事件消息優(yōu)先發(fā)送，能夠合理分析VDSA的過程并預(yù)測其性能。
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