摘  要： 將動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)引入到車(chē)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(chē)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(qǐng)求，構(gòu)建馬爾科夫鏈分析其服務(wù)過(guò)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(chē)輛動(dòng)態(tài)頻譜接入的過(guò)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(qǐng)求的平均等待時(shí)間和平均隊(duì)列長(zhǎng)度都遠(yuǎn)小于普通服務(wù)請(qǐng)求。

　　關(guān)鍵詞： 車(chē)輛動(dòng)態(tài)頻譜接入,；緊急服務(wù)請(qǐng)求,；普通服務(wù)請(qǐng)求；馬爾科夫鏈

0 引言

　　車(chē)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(lè)服務(wù)等，將來(lái)車(chē)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(chē)輛用戶不斷增長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)頻譜資源不足的問(wèn)題，大量車(chē)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(wú)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(wèn)線路，自動(dòng)檢測(cè)空閑頻段資源并加以使用,。

　　為了將DSA技術(shù)應(yīng)用到車(chē)輛通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,，解決未來(lái)車(chē)輛通信專(zhuān)用頻譜資源不足的問(wèn)題，本文研究了車(chē)輛動(dòng)態(tài)頻譜接入VDSA的若干問(wèn)題,。VDSA是指將已授權(quán)給其他業(yè)務(wù)應(yīng)用的無(wú)線信道作為車(chē)輛通信信道使用,，在保證當(dāng)前無(wú)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(duì)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(chēng)為PU,，把有通信請(qǐng)求的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為SU。如圖2所示,，SU的通信請(qǐng)求由車(chē)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(chē)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(duì)穩(wěn)定，車(chē)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(qǐng)求可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是與交通安全有關(guān)的信息,，稱(chēng)之為緊急服務(wù)請(qǐng)求（ESR）；另一類(lèi)是普通車(chē)輛用戶的普通服務(wù)請(qǐng)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(duì)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(qǐng)求都會(huì)抽象為一個(gè)虛擬的服務(wù)請(qǐng)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)：

　?。?）某SU發(fā)出GSR服務(wù)請(qǐng)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(wú)空閑信道或SRQ不為空,，則將該服務(wù)請(qǐng)求加入SRQ中排隊(duì)等待；

　?。?）某SU發(fā)出ESR服務(wù)請(qǐng)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(wú)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(qǐng)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(wú)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(chē)輛到達(dá)過(guò)程相互獨(dú)立,，到達(dá)率為λv（輛/s）,，則SU的到達(dá)過(guò)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(kāi)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(zhǎng)度和等待時(shí)間,。隊(duì)列長(zhǎng)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(qǐng)求的服務(wù)過(guò)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(lái)時(shí)，如果此時(shí)沒(méi)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(zhǎng)度為：

　　LESR（k）=λ1WESR（k）（8）

　　1.3.2 普通服務(wù)請(qǐng)求的服務(wù)過(guò)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(qǐng)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(qǐng)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(lái)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(zhǎng)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(guò)實(shí)地調(diào)研,，得到南京長(zhǎng)江大橋的日車(chē)流量為2萬(wàn)~7.5萬(wàn)輛,，車(chē)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）?；谲?chē)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(zhǎng)度,，通過(guò)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(chē)輛增多時(shí),，車(chē)速相應(yīng)降低，在RSU范圍內(nèi)的通信請(qǐng)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(shuō)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(zhǎng)度的曲線圖,?？梢钥闯?，隨著車(chē)輛到達(dá)率λs的增加，平均隊(duì)列長(zhǎng)度也相應(yīng)增加,，但ESR的平均隊(duì)列長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GSR的平均隊(duì)列長(zhǎng)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(zhǎng)度快速增加，而ESR的平均隊(duì)列長(zhǎng)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(zhǎng)度十分接近GSR的平均隊(duì)列長(zhǎng)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(zhǎng)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(qǐng)求分類(lèi)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)程并預(yù)測(cè)其性能,。

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