Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 1, No. 2,  February 20 1 6 , pp. 354 ~  364   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v1.i2.pp35 4-3 6 4        354     Re cei v ed Se ptem ber 20, 2015; Revi se d De ce m ber  28, 2015; Accepted Janu ary 15, 201 6   The Performance of Dynamic- static S p ectrum Access  Based on Markov Transfer Model      Chan gbiao Xu*, Lianjun Zhu   Cho ngq in g Uni v ersit y  of Posts  and T e leco m m unic a tions, C hon gqi ng, Ch in a.T E L:185238 540 21   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :xuc b@c qupt. c n, 1852 38 54 0 21@ 163.com       A b st r a ct  T h is study  pr e s ented  a  n on- synchro ni z e d  r and o m   access  mech anis m  that su pp orts d y na mic- static spectru m .General ly,  the authori z e d  us ers of tw o netw o rks (net w o rk A and netw o rk B) w i th differe n t   freque ncy b a n d s co mmu n ica t e w i th each  o t her by  usin g  static spectru m . W h e n  co n gestio n  h a p p e ned ,   spectru m  ho le s in their ne tw orkscan be  detect ed by  the oppos ite  netw o r ksand  then utili z e d  to  co mmu n i ca te .  Ba se d o n  qu eu i n g  th eo ry and  Ma rko v  tr an sfer mod e l, a  user b e h a vior   character i z e d   by   dyna mic-static spectru m  acce ss w a s proposed, and the fe asibi lity of th is theoretic al  mo del w a s valid at e d   throug h a nal o g  si mul a tio n . T hereafter, the  theoretic al p a r ameters of sy stem  p e rfor ma nce, lik e bl ock i n g   possi bil i ty, forced dro p -cal l p o ssibi lity, and  throug hp ut, w e re me asur ed a nd co mp are d  betw een dyna mic - static mo de an d unco n j ugate d mod e .     Ke y w ords : Dy na mic-static sp ectrum, Marko v  transfer  mo d e l, non-sy nchr oni z e d ran d o m  access, que ui ng  mo de l     Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Strict internat ional rule s h a ve bee n e s tab lish ed for the usage  of wirel e ss  spectrum  resou r ces. A c cordi ng to t he cu rrent p r actical  usage  and researches, the r e a r e three  sp ect r um  pattern s whe n   co mmuni ca tion  co ntrol center com m u n icate with  te rminal: (1)  st atic spe c trum ;  (2 )  semi -dynami c   spe c tru m ; and  (3 ) dy namic spe c tr um. Gen e rall y, static  spe c trum  is fixedly  assign ed by  the  state a c cordi ng to   national  s p e c trum  re so urce s, an d it  belon gs to  the  una ssi gned  a nd sh ared sp ectru m s. Be sides, semi-dy namic  sp ectrum is ge ne ra ted via auctio n ,  and dyna mic spe c tru m  is  obtaine d thro ugh dyna mic  perceptio n. In this  study, static resou r ce   stand s  for sta t ic  sp ect r um, while dynami c   re so urce  re pre s ent s both  semi -dynami c  an d dynami c   s p ec tr ums .    The majo rity of tradition al cog n itive r adio te chn o l ogie s  focu s on the sh aring of  spe c tru m s  wit h  sa me frequ ency b and,  while few  studi es h a ve be en  con d u c ted fo r the  com b ine d   acce ss of a u thori z ed  an d  unauth o ri zed   spe c tru m s.  In  order to m e et the  se rvice  dem and  of l o w  delay, la rge   band width,  a nd b r o ad  dat a servi c e  sco pe, future n e twork should   allow the  access   of spe c tru m s with differe nt freque ncy  band. Ho wever, the u s age of dyna mic spe c tru m  is  different from  that of static spe c trum. T heref o r e, an  effective mod e l  that represents dynami c - static spe c tru m  acce ss i s  o f  great signifi can c e.       2. Rese arch  Statu s   Dynami c  spe c trum a c ce ss is the b a sis fo r the  co mbination of  dynamic a n d static  resou r ces. Howeve r, the previou s  researche s  a b o u t spe c trum  acce ss g ene rally study th e   acce ss  strate gy of dynami c  spe c trum  o r  the b ehavi o r of  cog n itive users in  same fre que n cy  band. Fe w studie s  have  been perfo rmed on th e combi ned  acce ss of authori z ed  and   unauth o ri zed spe c tru m s.   Based o n  the  access of dynamic  spe c trum , Xie et al. have prop osed an acce ss model  that com b ine s  h e tero gen e ous networks, in whi c h  ma in and  secon dary n e two r ks u s e  sp ect r u m s  with different  frequ en cy b and [1]. Bian  et al  have con s tru c ted  a  hete r og ene ous  coexiste nce   stru cture for  cog n itive net work to  solve  the p o tential  probl em s ab o u t exch angin g  an d  controll ing   informatio n a nd inte re st co nflict [2]. Tzel atis  a nd  Be rb eridi s have   e s tablish ed a system stru ctu r e   for the acce ss of wirele ss  spe c tru m  ba sed on c ogniti on, and it fits the hetero g e neou s wi rele ss  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     The Perfo r m ance of Dyn a m ic-static Sp ectrum  Acce ss Base d on M a rkov… (Cha ngbia o  Xu)  355 netwo rk  of next gene rat i on [3]. Thro ugh combi n i ng traditio nal  emerg e n c y comm unication  techn o logy a nd co gnitive wirel e ss sy stem, Han et a l . have con s tructe d Marko v  transfer mo del   and an alyze d  some  syste m  para m eters [4]. Gene ra lly, there are  many wi rele ss se rvicers who  comp ete with   each  oth e r, and se con d a r y  users c an use  th eir dyn a mic biddin g  model  to ada pt  their a c ce ss t o  differe nt se rvice  provid ers [5]. Fu rth e rmore,  cog n itive use r s can  be divide d in to  two cla s se s (high pri o rity class and lo w prio rity  class) accordi ng to  their se rvice  deman ds  wh en  dynamic  spe c trum a c ce ss is perfo rme d  [6]. Li et al.  have pro p o s e d  a joint cha n nel agg reg a tion   splitting alg o rithm, providin g a que ueing  model for d y namic  spe c t r um a c cess [ 7 ]. In order t o   improve  the  capa city factor of  limited ch annel,  Sulta n a   et  al. have establi s h ed a n   a c cess syst em  stru cture with  multi-p r iority  and m u lti-u s er, an d se t n on-p r e e mptive pri o ritie s  fo r u s er time [ 8 ].  More over, Ku mar  et al. ha ve mea s ured  the pe rforma nce  of dyna m i c a c ce ss  wh en p r ima r y a nd  secondary  users are using  IEEE  802.11, a shared frequen cy band[9]. Jiang et al . have studied  the distu r ba n c e of dyn a mi c spe c trum  a c cess  to m a ster u s ers  wh ose  com m uni cation fe atures  are un kno w n  to  se co nda ry use r s, and   th us de signe d an  a c ce ss protocol   for dyn a mic sp ect r um  [10].      3. The Sy ste m  Model of D y namic-sta t ic Spectrum  Acce ss   3.1. Net w o r k  Model  It’s assum ed  that there  are  only two  net wo rks (nam el y,  network  A and netwo rk B,  and  their auth o ri zed users (na m ely, U A  and  U B ) take sp ectru m s  with  different fre quen cy ban d s . If  user  requests arrive, th ey will  preferentially get  access into thei r own authori z ed net works via  static  spe c tru m . As the n e tworks of U A  and U B  have cognitive ability, they will dynami c ally  percept  spe c t r um h o le s if there i s  n o  av ailabl e  cha n n e l in their  own networks,  and thu s  utili ze  these  spe c tru m  holes to a c ce ss dyn a mic spe c trum.    In this stu d y, the available  band width s  o f   network A a nd B are re prese n ted by  chann el  numbe rs, whi c h a r e set e q ual to facilitate analysi s . Authori z ed u s e r s h a ve abso l ute prio rity to  use the  cha n nels in thei r o w n net works, in comp ari s o n  with se co nd ary use r s. For example, if the   requ est of U A arrives, stati c  spect r um s  of network  A will be firstly  checked.  If there is idle  cha nnel, thi s   requ est  will  a c cess  ch ann e l  dire ctly. If there i s   no i d le  cha nnel  and   some  chan ne ls  are taken by U B , the com m unication of  U B  will be stoppe d imme diately (force d drop -call), and   available  cha nnel s will b e   provide d  to U A . If  there is  n o  idle chan ne l and no  ch an nel is ta ken  by  U B  (nam ely,  all chan nel s in netwo rk A are taken by U A ), the requ est of U A  will be rejected.  The  acce ss  situati on of netwo rk B is si milar t o  that of network A.   It's a s sumed  that the  arri val rate s  of  requ est s  fro m  UA  and   UB in  net wo rk A an d   netwo rk B can display the Poisson  distrib u tion,   while  servi c e  time can show the n e g a tive  expone ntial d i stributio n. This stu d y aims to  con s truct and analyze a model fo r dynami c -static  spe c tru m  access ba sed o n  queuin g  t heo ry and Marko v  transfer m o del.     3.2. Queuing  Model  The m a jor m odel utili zed   in the p r e s e n t st udy i s  t he M/M/m in stant-refu s ing ,  multi- wind ow,  and  hybrid -q ueui ng mo del. T a kin g  the  an alysis of  U A   beh avior ch ara c ters as an   example, it' s   assume d that : (1) the r e  are m  ch annel s in n e two r k A ,  while  n  ch a nnel s in  net work  B; (2) th e cha nnel n u mb er  requi re d by o ne requ est  in   netwo rk A or  netwo rk  B is  1; (3 ) the  arri va l  rate of n e w  reque st can d i splay t he Po isson di strib u t ion (inten sity:  λ ); (4 )  serv i c e time  of on e  cha nnel  can  sho w  th e n e gative exp o n ential di strib u t ion (paramet er:  μ ).  As  a  result, a  qu eu ing   model is e s ta blish ed for th e combi ned a c cess  of dyna mic-static  spe c trum  (Figu r e  1).       Figure 1. The  queuin g  mod e l for the com b ined a c ce ss  of dynamic-st a tic sp ect r um       Numb er in  cycle: numb e r o f  users in net work;  u s ers from 0 to m use static spe c trum in  network A, while users from m+1 to m+n utiliz e avail able channel s in network B via dynamic  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  354 – 364   356 perceptio n.   If k users transfer thei r  st atus, transi tion probability  will  be m a rked as P k . W h en   s t ab le   state is a c hie v ed, the functi on for statu s   transitio n is:     0,                       0 0 ,       1   0 ,                 0     ( 1 )     The loa d  parameter of a  singl e ch ann el,  ρ , is defined a s    . Ac c o rding to the  feature s  of Markov tran sfer, P k  has polarity. Therefore ,  result of the above fun c tio n  is:     ∑ !             ( 2 )     By utilizing 0 < k < m + n, it  is recursively  obtained that:    ρ  ρ 1 ρ ρ ρ ρ 2 ρ ρ  ρ ……        ( 3 )     Therefore, th e gene ral sol u tion of state prob ability P k  is:      !           ( 4 )     The que uing  model for the  combi ned a c ce ss of dy na mic-static  spe c trum in n e twork B is  s i milar to that in network  A.     3.3. Acce ss  Strateg y   Before the ac cess   of U A  re que st o r   U B  requ est,  the auth o ri ze d fre quen cy  ban ds  (nam ely, stati c   spectrums) of network  A and B  will  be firstly checked.  Network A i s  taken  as  example. If there i s  idle  ch annel in n e twork A, U A  req uest will  acce ss  cha nnel i n  netwo rk A in  a   static  man n e r . If there i s  no i d le  ch a nnel i n   n e twork A, the  chann els in  n e twork B will  be  che c ked. Fu rthermo re, if there i s  idle  chann el in net work B, U A  reque st will a c cess  chan n e l in   netwo rk B in  a dynami c  m anne r. Th e p r iority of aut h o r ize d  u s e r s is high er th an t hat of  cog n itive  use r s in  both  network A  a nd B, n a mely , prio rity of  U A > p r iorit y  of   U B  in network A, whil e priority  of U B > p r io rit y  of  U A  i n  n e t work B. T h e r efore, if  U B  reque st a rrive s a nd th ere i s  n o  oth e r id le  cha nnel in n e twork B, the comm unication of U A will bestopp ed  (forced dro p -call), and t h e   corre s p ondin g  ch ann el take n by U A  will be p r o v ided to U B ,  avoiding int e rferen ce to  U B   comm uni cati on. The a cce ss  situation of  network  B is   s i milar to that of network  A.   In the  com b in ed a c ce ss of  dynamic-static  spe c trum p r opo se d in  thi s   study, requ ests of   U A  and  U B ca n get acce ss  into netwo rks in a non -ran dom man n e r . Again, network A i s  take n as  example. The  chan nel s in netwo rk A a r e seq uentia lly  marked by n u mbe r s from 1 to m (from l o w  freque ncy  ba nd to hi gh freque ncy b a n d ), while th e  ch annel s i n  network B  are  se que ntially  marked by n u mbe r s from  1 to n (from l o w fr e que ncy  band to hig h  freque ncy b and). If there  is  idle  cha nnel  i n  net wo rk A,  U A  requ est  wi ll acce ss th e f i rst i d le  ch an nel in  chan ne l 1-m.  If there  is   no idle chan n e l in netwo rk A and there i s  idle  chan ne l in netwo rk  B, U A  reque st  will acce ss t he  first idle  cha n nel in  cha n n e l n-1  of net work B  (Figu r e 2 ) . The  acce ss  pro c e ss of netwo rk  B is   simila r to that  of netwo rk A (Figu r e 2 ) . In  other wo rd s,  autho rized use r s acce ss  comm uni cati on  system p r efe r entially via ch annel s with lo w frequ en cy band s othe r than that with  high freq uen cy  band s, while  cog n itive use r s a c ce ss  co mmuni cati on  system p r efe r entially via ch annel s with  hi gh  freque ncy ba nds.   (1) If  static  sp ectru m  can m eet user  dem and,  requ est of  autho rized use r  will  a c ce ss  idle   static spe c tru m /chan nel (p riority: low fre quen cy band  > high freq u ency ba nd) i n  a non-ran d o m  manne r (Fi g u r e 2a, 2b, an d 2c).    (2) If there i s  no idl e  chan nel in  network A (namely,  all the  cha n n e ls in  net work A a r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     The Perfo r m ance of Dyn a m ic-static Sp ectrum  Acce ss Base d on M a rkov… (Cha ngbia o  Xu)  357 taken by  U A ) and the r e i s  idle chan nel  in network  B, U A  request will dynami c ally access  idle  cha nnel of ne twork B (pri ority: high frequ ency ba nd > low fre quen cy  band)  (Fig ure 2d). Similarly,  the acce ss p r oce s s of U B  in netwo rk B i s  sh own in Figure 2 e .   (3) After  com p leting U A   re que st in net work A, the  corre s p ondin g  ch annel i s   relea s e d ,  providin g an   addition al idl e  ch ann el in  netwo rk  A. Then, the  co gnitive user  of netwo rk B  will  swit ch the  sp ectru m  to its  authori z e d  freque ncy b a n d  in net work  A (prio r ity: low freq uen cy  band   > high fre que ncy ban d) (Fi gure 2f ).  (4) It's a s sum ed that all the cha nnel s in  netwo rk A a r e taken by U A , some  ch annel s in   netwo rk B  are taken  by  U A , and  there i s   no oth e r idle   cha nnel  in  ne twork B. If  U B  re que st a rriv e s,  the com m uni cation  of U A   will be  stop p ed (fo r ced d r op-call ),  and  the co rresp ondin g  chan nel   taken by  U A  will be  relea s ed and  provided to U B , as priority of U B > pri o rity of U A  in network B   (Figu r e 2h ).   (5) If all th e  cha nnel s in  netwo rk A are take n by  U A  and the r e i s  no  idle  ch a nnel in   netwo rk B, ca ll blockin g  will  happ en to  U A  (Figu r e 2i ).  Similarly, call  blockin g  can  also  hap pen  to   U B  (Figu r e 2j ).                                                                                  Figure 2. The  access p r ocess of netwo rk A and B (m = n = 5 )       4. The Trans f er Mod e l of D y namic-sta t ic Spectrum  Acce ss   4.1. Markov   Trans f er Mo del  It's assume d that the arriv a l rate of req uest s  from U A  and U B  can  display the Poisson   distrib u tion, while  th eir service   time can   sh ow th e neg ative e x ponential  di stributio ns wi th   para m eters μ A  and  μ B , resp ectively. In addition,there are m an d n available cha nnel s in network  A and B, resp ectively. The  use r  num be rs of U A  and  U B are  rep r e s ent ed by intege r  pair (i, j ) , whil e   their corre s p ondin g  po ssi bilities a r e sh own a s  P(i,  j). Beside s, sta t e spa c e (i, j) shoul d meet  the  following formula:     Γ  , | 0 , 0 , 0                (5)    Then, the  M a rkov tra n sfe r  mo del of  d y namic -stati c sp ectrum a c cess i s   con s tru c ted,  sup portin g  m and n availa b l e cha nnel s in  network A an d B, respe c tively (Figure 3).    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  354 – 364   358 λ   blo c k s t a t e 0, 0   0, 1   0, n   0, m n 1   0, m n   1, m n 1   m, n m1 , n 1 m 1 , n m 1 , 0 m 1 , 1 m, 0   m, 1   m n , 0   m n 1 , 0   m n 1 , 1     λ     λ   2   λ   n   λ   (n +1 )   λ   (m +n ‐ 1)   λ   (m +n )   λ       λ   λ     (m + n ‐ 1)   λ   λ   (m ‐ 1)   m λ   (m +1 ) λ   (m +n ‐ 1) (m + n )   λ   λ   λ λ λ λ 2 2 n n λ λ λ (n +1 ) λ   λ   λ   (m ‐ 1)   (m ‐ 1) m m (m +1 ) λ   λ   (m +n ‐ 1) λ   λ λ λ   λ   λ   λ   λ   λ   λ   (m ‐ 1)   1, 0 1, 1 1, n λ   λ   λ   λ   λ   λ     2   n   (n +1 )   2   2   2   c o m p u l s o r y i nt e rrup t t r a n s f e r s t a t e bl o c k s t a t e   c o m p ul s o ry i nt e rru p t t ra ns f e r s t a t e   Figure 3. Markov tran sfer  model of  dyn a mic-stati c  sp ectru m  acce ss      In Figure 3, the regi on bet wee n  two dot ted lines  represe n ts stati c   acce ss. State (0, 0)  mean s that  neither U A nor  U B  i s  i n   communi catio n , whil e stat e (1,  0)  me ans that  U A  is  in  comm uni cati on a nd  req u e stsget a c ce ss into  syst e m  in a  no n-random  ma nn er  (pri ority: l o w   freque ncy b a nd >  high fre quen cy ba nd). The arro w  from state  (0,  0) to stat e (1,  0) an d λ A (or  λ B )  stand s for th e  acce ssi on of  U A  (o r U B ),  while the a rro w from state  (1 , 0) to state  (0, 0) an d  μ A (or   μ B ) stand s for the departu re of U A (or U B ) after answe ri ngthe re que st  of U A  (or U B ).    In Figu re  3, t he  regio n s on  the  right  of  vertical  dotted   lines re prese n t that U A  dynamically  take s un-auth o rized freq ue ncy band s in netwo rk B.  For example, state (m, 0) mean s that m  U A in  system a r e i n  com m uni ca tion, and all  of  the m stat ic chann els  are ta ken  by U A , as  U A  can  preferentially get access int o  static fre quency band in a non-random manner.If  a new U A  re q uest  arrives, it will   get access into  network B  in a n on-ra nd om ma nne r (prio r ity: high f r equ en cy ba n d   > low f r equency band), and state  (m, 0) will  change  into state (m+1, 0).In state (m +1, 0),  if a  certai n U A  o c cupying  static ch ann el  le aves sy stem,  the U A  which is dynami c ally occupyin g   netwo rk B  will tran sfer into t h is  ch annel  in  a n on-ra ndo m man ner.T h i s p r o c e s s is repre s e n ted  b y   the arrow fro m  state (m +1,  0) to state (m, 0) and (m +) μ A .  In the region with sla s h on  the right of d o tted lines,   . It means that there is  no chan nel a v ailable fo r U A ,  and  thu s , new re que st from U A  will  be rejected and blocking  will  happ en (e.g . state (m+n, 0)).In this circu m sta n ce, if a new U B  re qu est arrives,  U A   comm uni cati on will be sto pped (fo r ced  drop -call) to  avoid interfe r ence to U B , as the pri o rit y   o f   U A < the pri o ri ty of U B  in network B. This forced drop -call  i s  rep r e s ente d  by dotted arro w fro m   (m+n, 0) to (m+ n -1, 1) and  λ B .  Similarly, the regio n s u nde r hori z o n tal d o tt ed lines m ean that UB  dynamically take s the  un-a u tho r ized  frequ en cy b and i n  n e twork A, an d  t he circum sta n ce s are   co nsi s tent with   U A   descri bed a b o ve.    4.2. Theore t ical Analy s is   Based  on th e prin ciple  of con s e r vation  of energy, the input flow shoul d equ a l  to the   output flow when a ste ady state is  a c hie v ed. Therefo r e, the followin g  formula s  wil l  be obtaine d:     Whe n   0, 0  1 ,         ,  1   , 1  1  , 1  1  1 ,                                      (6)    Whe n   0, ,       ,   , 1                               (7)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     The Perfo r m ance of Dyn a m ic-static Sp ectrum  Acce ss Base d on M a rkov… (Cha ngbia o  Xu)  359 Whe n   0 , ,          ,   , 1   1 ,    1 , 1                                        (8)    Whe n    , ,          ,   , 1   1 ,   1 , 1     1 , 1                               (9)    Whe n   ,  ,          ,   , 1   1 ,    1 , 1                                      (10)    Whe n   0 ,0  ,           ,  1   , 1  1  , 1    1  1 ,   1 ,                       (11)    Whe n    , 0 ,       ,   1 ,                                  (12)    In the above formul as, whe n   0 ,  1 ; or,  0 .  The sum of static po ssi bilities of all states is 1, nam ely:      ∑  , （ , ） ϵΓ 1                                             (13)    In orde r to a nalyze the  system perf o rmance  of dynamic-static  spe c tru m  acce ss, it’s  assume d th at mutual  interf eren ce  do  n o t  exist  b e twe en m a ste r  u s ers a nd/or se con dary  u s ers,  and the r e i s  no del ay i n  ch ann el switch.  Und e r this  circum stan ce, thre e statu s e s   are  determi ned, i n clu d ing no n-blockin g  state , bl ocking  state, and forced  drop -call stat e.   (1)  No n-bl ocking  state i s  the statu s  o f   normal  co mmuni cation whe n  the int e rferen ce s  from othe rs a r e not taken into accou n t.   (2) Blockin g   state. As  sh o w n in  Figu re  3,  blockin gha ppen s in  two  circu m stan ces: (a) if   all of the  cha nnel sin n e two r k A  and B a r e occu pied  b y  their auth o ri zed  user s, ne w reque st s from  authori z e d  or unautho rize d use r s will b e  reje cted;  (b ) if all of the  cha nnel s in network A and  B  are o c cupie d   by their autho rize d or  unau thorized  u s e r s, new  req u e s ts fro m  auth o rized u s e r s  will  not be reje cte d , while ne w reque sts fro m  unauth o ri zed  use r s  will be rejecte d .   (3) Fo rced d r op-call  state.  As sho w n in   Figur e 3, fo rced d r op -call  occurs  wh en  there i s   no idle  ch an nel. In othe r  words, if a n   unauth o ri zed  use r  ta ke s the chan nel o f  authori z ed  use r ,  the comm uni cation of this unautho rize d use r  will b e  stopp ed by  force a nd th e co rre sp ond ing  cha nnel  will be relea s e d  when auth o ri ze d use r  nee ds  this ch ann el.  If there is n o  available  chann el in ne twork,  syste m  will reje ct  new requ ests of call  servi c e to guarantee the  current  service quality. Therefore, the  probability of call-blocking is  defined a s :                              Traditio nally, only stati c  sp ectru m   can  g e t  acce ss int o  net work, n e twork A  and  B are   indep ende nt, and  thei r a u t horized  u s ers  can not  per cept  sp ect r u m  hol es in t he oth e r net work  throug h dyna mic spe c trum  acce ss. In th is conditi o n , new  callin g reque st will b e  reje cted, if there   is n o  availa bl e chann el. Fo rce d  d r op -call  ca nnot  h app en  when  stati c   spe c tru m  is getting a c ce ss,   as p r iority do es not exi s t betwe en diffe rent u s er s  (b usin ess p r iori ty is not con s ide r ed i n  this  study). Therefore, the po ssibilities of blocki ng an d forced drop-call  of U A  and U B  are:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  354 – 364   360  ,   ,   , 0   , 0                                              (14)    In the pre s e n t study, dynamic-stati c spectrum  a c cess is availa ble. If all of the stati c   freque ncy ba ndsare   o c cu pied by  auth o rized user s and no ch an nel  i s   avail a b l e  in perce ptive  freque ncy b a nd, the req u e s tsfrom autho rize d u s ers  will be reje cted . The blockin g  possibilitie s of  U A  and U B  are :       , ∑∑      ,                        (15)     , ∑∑      ,                        (16)    If a user req u e st acce sse s  system dyna mi cally and a u thori z ed u s e r s ne ed this  chann el,  the commu ni cation of una uthori z ed u s er will be  st oppe d to avoid influen cin g  the authori z ed  use r s,  as th e pri o rity of autho rize d  use r   >  the  prio rity of unautho rized  use r . Unde r this  circum stan ce , the possi bility of forced drop-call is d e fined a s :                            Accordi ng to Figure 3, the forc ed drop-call possibilities of U A  and U B  are:      , ∑∑       , （  , ）                               (17)     , ∑∑      , （  , ）                ( 1 8 )     In the above formul as, whe n   0 ,  1 ; or,  0 .   In addition t o  the po ssi b ilities of blo c king  and fo rced  dro p -call ,  the index named  busi n e ss thro ughp ut cap a city should al so be mea s u r ed to evaluat e a system.  After the arriv i n g   of use r  req u e sts, only a  part of them  can obt ai n servi c e s  thro ugh sy stem, while the oth e r  requ est s  are reje cted o r  force d  to dro p . Being  re pre s ented by Th, throug hput ca pacity is defin ed   as th e n u mbe r  of  req u e s ts  whi c h  obtain   servi c e s  th ro ugh  syste m  p e r  unit of time . If all the  use r s  in a system h a ve the same  rate of data signaling, the t h rou ghp ut of U A  and U B will  be:       1  ,  1  ,                                 (19)      1  , 1  ,                                 (20)      5. Result o f  Simulation and Performa nce An aly s is   5.1. Result o f  Simulation  In the simul a tion pro c e s s, the cha nnel  numbe rs of n e twork A an d  B were  set  as    5 and   3 ; the se rvice rates  of U A  an d U B  wer e  set  a s   0 . 3  and  0 . 2 ; the re que st  arriv a l rate s of  U A  and  U B , namely,  λ A  and  λ B  we re  set a c cordi n g to the ki nd  ofperfo rman ce  analysi s .In a ddition, “the o r y” stoo d for the theoreti c al value s  o b tained by u s ing m a tlab2 010  softwa r e and   dynami c -stat i c spe c tru m  acce ss  ba se d on  Markov  tran sfer mo del, nam ely, the  mathemati c al ly computed  values de rive d from ma the m atical form u l a (15), (16),  (17 ) , and (1 8 ) .  “sim ulate” re pre s ente d  th e sy stem  sim u lation va lu e s  b a sed o n   C langu age,  bl ocking  po ssi b ility,  and forced d r op-call po ssib ility. The simulation time wa s set a s  T=10 0s.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     The Perfo r m ance of Dyn a m ic-static Sp ectrum  Acce ss Base d on M a rkov… (Cha ngbia o  Xu)  361   (a) T he rel a tionship bet we en blo cki ng  possibility P blockA  and arrival rate  λ A  when  0 . 2       (b) T he rel a tionship bet we en blo cki ng  possibilityP blockB  and arrival  rate  λ B  wh en   0 . 3     Figure 4. The  relation ship  betwe en blo c king p o ssibilit y and arrival rate      As shown in  Figure 4, si m u lation results were  pe rfe c tly con s i s ten t  withmathem atically  comp uted va lues, indi cati ng that it was app ro pria te to use queuei ng theo ry and Markov  transfo rm mo del  to analy z e  the acce ss  pro c e s s  of dynamic-static spe c tru m . Along with  t h e   increa se i n   arrival  rate  o f  use r  requ e s t, bl o ckin g   possibility po ssesse d in creasi ng trend.  In   addition, blo c king p o ssibili ty increa se d quite gent ly  whe n  the correspon ding a rrival rate wa s  relat i v e ly  sm all,  as  sy st e m  re so ur ce s  co uld  m eet  user  dema n d s. Foll owi n g  the in crea se of  arrival  rat e , system resou r ce s  coul d n o t meet  user d e mand s any  longe r, resulting in  the  ra pi d  increase in bl ocking possibility.        (a) T he rel a tionship bet we en forced d r o p -call  possibility P forcedA  and arrival rate  λ B  when  0 . 3       (b) T he rel a tionship bet we en forced d r o p -call  possibility P forcedB  and arrival rate  λ A  when  0 . 2   Figure 5. The  relation ship  betwe en forced dro p -call p o ssibility and  arrival rate       As sh own i n  Figu re 5,  simulatio n   results  we re  also  perfe ctly con s i s te nt with   mathemati c al ly computed  values. Along  with the incr ease in arriva l rate of mast er user requ e s ts,  the forced drop-call possi b ility of  secondary user al so elevated,  as forced drop-call happened in  the acce ss p r oce s s of dynamic spe c tru m .     5.2 Compari s on of Ma th ematically  C o mputed Val u es   In this secti on, Matlab20 10 wa s utilized to  calcul ate and co mpar e the theoretical   para m eters o f  system  pe rforman c e  bet wee n  dy n a mi c-static mod e  an d  uncon jugated  mod e ,  inclu d ing blo c king p o ssibilit y, forced drop -call p o ssibilit y, and throug hput.   0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 0 0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 4 0. 45 u s ers  a rri v e   rat e   A b l o ck r a t e  P bl oc k , A t h eor y si m u l a t e 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 u s e r s  a rri v e  ra t e   B b l o ck r a t e  P bl oc k , B th e o y si m u l a te 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 u s er s  ar r i v e  r a t e   B f o r c ed   in t e r r u p t  pr o b a b ilit y  P fo r c e d ,A t h eor y si m u l a t e 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 0. 0 1 0. 0 2 0. 0 3 0. 0 4 0. 0 5 0. 0 6 0. 0 7 0. 0 8 0. 0 9 0. 1 us er s  ar r i v e  r a t e   A fo r c e d   i n te r r u p t  p r o b a b l i ty  P fo r c e d ,B th e o r y si m u l a t e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  354 – 364   362   (a) T he rel a tionship bet we en blo cki ng  possibility P blockA  and arrival rate  λ A  when  0 . 2       (b) T he rel a tionship bet we en blo cki ng  possibility P blockB  and arrival rate  λ B  when  0 . 3   Figure 6. The relationship  between theoretical bl ocking  possibility and arrival rate      Red t r ian g le:  dynami c -sta tic a c cess; g r een  s qua re:  static  acce ss o n ly. As shown in  Figure 6, along with the  i n crease in arrival rate of user  request, blocking possibility possessed   increasing t r end in both  modes.  However, the blocking possibility of  U A  (o r U B ) in  dynamic-static  acce ss  wa s much lo we r than that in  static acce ss with the sam e   λ A  (or  λ B ) ,  a s s p ec tr um ho le s  coul d be  pe rceived  and  utilized to  communi cate  in the a c ce ss p r o c e ss  of dynami c -sta tic  s p ec tr um.       (a) T he rel a tionship bet we en theoretical   possibility of forced drop-call P forced A  and  arriv a l r a te  λ B       (b) T he rel a tionship bet we en theoretical   possibility of forced drop-call P forced B  and  arriv a l r a te  λ A   Figure 7. The  relation ship  betwe en theo retical p o ssibi lity of  force d  drop -call and  arrival rate       For the a c ce ss of dynami c   spe c tru m , forced  dro p -call  happ en s in th e acce ss pro c e ss  o f   dynamic-static spectrum, while forc ed drop-callpossibility is 0 in   the access proc ess of static  spe c tru m . As sho w n in Fi gure  7, along  with the in crease in λ A  and   λ B , theoretical po ssibility of  U A (o r U B ) fo rced d r o p -call  elevated. As priority of U B > prio rity of U A  in the a c cess process  of  dynamic spectrum,  theore tical possibility of U A  force d  dro p -call  si gnifica ntly increa sed  wh en   λ B   increa sed. When  λ B   wa s fi xed, users u s ing dyn a mic  spe c tr u m  in creased  along   with the  in cre a se   in  λ A , and thu s , theoretical  possibility of U A  forced dro p -call elevate d .     0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 us er s  ar r i v e  r a t e   A b l o c k  r a te   P bl oc k , A unc onj ugat ed t heor y dy nam i c - s t a t i c  c onj ugat ed  t heor y 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 us er s  a rri v e  ra t e   B b l o ck r a t e   P bl oc k , B d y n a m i c - s t a t i c  c o nj ug at ed  t h eo ry un c o nj ug at ed  t h eo r y 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 0. 09 us er s  ar r i v e  r a t e   B f o r c e d  i n t e r r u p t  p r o b a b ilit y  P f o r c ed, A A = 0 . 4  t heor y A = 0 . 3  t heor y A = 0 . 2  t heor y 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 0. 0 2 0. 0 4 0. 0 6 0. 0 8 0. 1 0. 1 2 us er s  a r r i v e  r a t e   A f o r c e d  in t e r r u p t  p r o b a b ilit y  P fo r c e d ,B B =0 . 3 B =0 . 2 B =0 . 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     The Perfo r m ance of Dyn a m ic-static Sp ectrum  Acce ss Base d on M a rkov… (Cha ngbia o  Xu)  363   (a) T he rel a tionship bet we en theoretical   throug hput of  U A  and arrival rate  λ A  when  0 . 2       (b) T he rel a tionship bet we en theoretical   throug hput of  U B  and arrival rate  λ B  when  0 . 3   Figure 8. The  relation ship  betwe en theo retical th rou g hput and a rriv a l rate       Red t r ian g le:  dynami c -sta tic a c cess; g r een  s qua re:  static  acce ss o n ly. As shown in  Figure 8, the theoreti c al through put  in dynamic-static  acce ss  wa s sim ilar to that in static a c cess  whe n   λ   wa s small, a s  a u thori z ed  ch annel s  coul d   meet u s er  deman d with  limited u s ers.   Ho wever,  alo ng  with the  increa se i n  a r rival ra te, the  theoretical  throu ghp ut in  dynami c -stat i c  acce ss  wa s markedly hig her than that i n  static a c cess with a same  arrival rate.        6. Conclusio n   Based  on  no n-rand om a c ce ss, thi s   study si m u late d the a c ce ss pro c e s s of  dynamic- static spe c tru m  by using  queui ng theo ry and  Markov transfe r model, and t hen obtain e d  the   formulas of perform a nce param e ters, includi ng bl ocki ng possibility, forced  drop-call possibilit y,  and through put. The fea s ibility and reliability of our mo del  were validat ed by com p aring  theoreti c al value s  with simulative values.  Th e pe rforma nce p a ram e ters of  dynamic-sta tic  spectrum access were  calculated through sim u lation,  includ ing blocking possi bility,  forced drop- call p o ssibilit y, and throu ghput,  which  we re fu rthe r compa r e d   with that of  static  sp ectrum  acce ss. However, the interferen ce s b e twee n diffe rent netwo rks were not co nsid ere d  in this  model, neith er wa s buffe r queu e leng th. As these fa ctors exist in the reality, modification  is  requi re d to co uple with the  actual  situatio n.      Referen ces   [1]  Xi eQin g y an, Z eng Qi ng ’an.  P e rformanc e a n a lysis  of op port unistic   s pectru m  access in he teroge ne ou s   wi re l e ss n e t wo rks . Wi r e l e s s  Te l e c o m m u nic a ti o n s  Sy m p o s i u m ( W TS ) .  N e w   Y o r k  C i ty , N Y : IEEE  Press. 2011: 1- 5.  [2]  Kaig ui Bi an,  Jung-Mi n “Jer r y ” Park,  Xi a o jia ng  Du, et  al.  Ecolo g y- inspir ed C oex istence  of  Hetero gen eo u s  W i reless  N e tw orks . Global Communic a tions  Co nfer ence (GLOBECOM), IEEE.  Atlanta, GA: IEEE Press. 201 3: 4921- 49 26.   [3]  Ioann is T z elati s , Kostas Ber beri d is.  C ogn iti on-Bas ed  Dyn a mic S pectru m  Acc e ss  and  Interferenc e   Coor din a tio n  for Heterog ene o u s Netw orks.  Sign al Process i n g  Advanc es in  W i reless Com m unic a tion s   (SPAWC), IEE E  14th Worksh op on. Darms t adt: IEEE Press. 2013: 12 5-1 29.   [4]  Han  P, T i an H ,  Xi e W .   An aly s is of c o g n itive  rad i o s pectru m   access  for  emerg ency c o mmu n icati o n   system . Wireless Communic a ti ons and Signal Process i ng   (WCSP).  Internati ona l Co n f erence  on.   Nanj in g: IEEE  Press. 2011: 1- 6.  [5]  Di xit S, Peri ya l w ar S, Y anik o merogl u H. S e c ond ar y Us er  Access in  LT E Architecture   Based  on  a  Base-Statio n -C entric F r ame w ork W i th D y n a m ic Pricin g Ve hicul a r T e chno l o g y .  Veh i cu lar T e chno logy,   IEEE Transactions on . 2 013;  62(1): 28 4-2 9 6 .   [6]  T u muluru VK,  W ang P, Ni yato D, et al. Perform anc e ana l ysis of cognitive  radio spectru m  access  w i t h   prioritized traffic.  Vehicul a r T e chno logy, IEE E  T r ansactions  on.  201 2; 61(4 ) : 1895-1 9 0 6 .  [7]  Li L, Z han g S, W ang K, et al.  Queuin g   meth od in c o mbi n e d  chan ne l ag gr egati on a nd fra g mentati o n   0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 us e r s  arr i v e  r a t e   A （） t h r oughput per  s e c ond dy n a m i c - s t a t i c  c o nj ug a t ed u n c onj uga t e d 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 us er s  ar ri v e  ra t e   B （） t h r o u g h put pe r  s e c o n d dy na m i c - s t at i c  c onj ug at ed unc o n j u gat ed Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.