Scheduling in Multi-hop Multi-band Cognitive Radio Networks Utilizing Potential Fields

Abstract

The problem of scheduling transmissions in multi-hop multi-band cognitive radio (CR) networks is studied. The scheduling is subdivided into long- and short-term problems. The long-term problem concerns the routing of data packets. It is solved by means of a novel potential field based modeling technique that abstracts routes away from paths defined by sequences of specific network links and onto an underlying potential field. The short-term problem is formulated as a mixed integer nonlinear program (MINLP) that describes the instantaneous interference constraints that secondary users (SUs) have to satisfy if they wish to utilize the spectrum licensed to primary users (PUs). These interference constraints are defined in terms of required signal-to-interference-plus-noise ratios (SINRs) at receivers. A centralized greedy algorithm, as well as a distributed version of it, is proposed for solving the short-term problem. Simulations show that the proposed methods work well in both static and dynamic networks. Moreover, the methods contain adjustable parameters that allow one to e.g. improve the fairness of the scheduling at the cost of overall throughput, or to significantly improve the overall throughput at the cost of a non-zero but arbitrarily small probability of violating the interference constraints.

Skedulering av sändningar i kognitiva månghopps- och mångbandsradionätverk undersöks. Skeduleringen delas upp i ett långsiktigt respektive ett kortsiktigt problem. Det långsiktiga problemet behandlar dirigeringen av datapaket. Problemet löses genom en ny potentialfältsbaserad modelleringsteknik där datarutterna beskrivs av ett underliggande potentialfält istället för sekvenser av specifika nätverkslänkar. Det kortsiktiga problemet utgörs av ett icke-linjärt optimeringsproblem som beskriver de interferensvillkor vilka de sekundära användarna måste uppfylla för att få tillgång till det spektrum som licensierats till primära användare. Interferensvillkoren är definierade i form av nödvändiga signal-till-interferens-plus-brusförhållanden hos mottagare. En centraliserad girig algoritm, samt en distribuerad version av den, föreslås som lösning på det kortsiktiga problemet. Simulationer visar att de föreslagna metoderna fungerar väl i både statiska och dynamiska nätverk. Dessutom innehåller metoderna justerbara parametrar med vilka man t.ex. kan förbättra rättvisheten i skeduleringen på bekostnad av den totala datahastigheten, eller märkbart förbättra den totala datahastigheten på bekostnad av en positiv men godtyckligt liten sannolikhet att interferensvillkoren inte alltid uppfylls.