Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l. 8 ,  No. 6 ,  D ece m ber   201 8,   pp.  5169 ~ 51 77   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v8 i 6 . pp 5169 - 51 77     5169       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Multi - Ch annel P reemptiv e Priorit y Model  fo r Spec trum  Mobility  in Cogn itive R ad io Networks       S.  E.  Saad 1 , I .   F. Ta rr ad 2 , A.  A .  A m mar 3     1 Depa rte m ent of   Elec tron ic s  and Com m unic at ions  Engi ne eri ng ,   H igh  Instit u te for Engi n e eri ng  and   Technol og y ,   Eg y pt   2,   3 El e ct ri ca l   Eng ine er ing  Dep artm ent ,   Fa cul t y   of   Engi n ee ring ,   Al - Azha r  Univ ersity ,   Eg y p t       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r 2 , 2 01 8   Re vised  Ju l   2 4 ,  201 8   Accepte d  Aug   11 , 201 8       Cognit ive   R adi o   te chn ique s  hav e   bee n  proposed  for  improving  ut il izati on   of  the   spec trum  b y   expl oiting  the   unocc upi ed  ban ds  of  the   li c ense d  spec trum .   Thi s  pape r  prop oses  a  pre emptive   m ult i - cha nn el   ac c ess  m odel   for  priori tized   cogni ti v e  r adi o  n et wor ks using  an   it er ative  m et hod   of  queui ng   th eo r y   to  solv e   the   spec trum  sca rcit y   prob le m .   The   proposed  m odel   form ula te s  ac cur a te  cl osed  form   of  a n  expe c te d  wa it i ng  ti m e  in  th e  q ueue ,   an  exp ecte d  num ber   of  users  in  the   que ue,   an  expect ed  wait ing  t ime  in  t he  s y st em,  and  a n  expe c ted   num ber   of  users  in  the   s y stem.   The   result s  co m par ed  to  the   basic   m odel   (without   pre emptive   prio rity )   show   tha t,   the   wai ti ng  ti m e  in  qu e ue  and  th e   wait ing  ti m e  in   t he  s y st em  compare d  to   the  basic  m odel   will   b e  i m prove d  b y   92. 99%  and  33 . 15%  respe ct iv ely   for  class   one  sec ondar y   user.   The   result s   al so  show   tha t,   t he  wait ing  ti m e  in  queue   and  the  wait ing  ti m e  in  the   s y stem   will   be   improv ed  b y   43 . 25%   and  15 . 42%  respe ctively   for   class   two  sec ondar y   users .   The  proposed  m odel   inve st iga t es  the  d esira b le  sche dule s  of   primar y   and   sec ondar y   users.   Ke yw or d:   Cognit ive Ra dio   Mult i - Chan nel   Pr eem ptive Pr i or it y   Qu e uing  The ory   Sp ect r um  Mobi li t y   Copyright   ©   201 8 Instit ute of   Ad v ance d  Engi ne eri ng  and  Sc ie n ce .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   S.  E . S aa d ,    Dep a rtem ent o f  Ele ct r on ic s  a nd Com m un ic at ion s E nginee ring,   High  In sti tute  f or Enginee rin g an d  Tec hnol ogy,  Al - O bo ur ,   Kilo  21 Cai ro / Be lbies R d , E gypt - P. O . B ox   27   O bour Ci ty , Eg y pt .   Em a il :  s.elsay e d8585@ gm ail.co m       1.   INTROD U CTION     Durin g  the  la st  decad e,  the  wireless  com m un ic at ion s  ha ve  bee n  de ve lop e d.   Th e  act ual  sp ect ral  occupa ncy  ov e r  so m e  fr equ e ncy  bands  stu di ed  was  fou nd   to  be  virtu al ly   e m pty.  In   O. W .   Bel lo   et   al   a uthor s   carried   ou t    s pe ct ru m   m easur e m ent  in  urba n  an d  rural  loc a t ion s,   co ve rin g  ba nds  of  50  MHz  a nd  6  G Hz   [1] .  T he  res ults  show  that,   the  a ver a ge  sp ect ra l  occu pa ncy  of  5.08%  an d  0.1 8%  in  urba n  and   r ur al   loc at ion s  resp ect ively   du rin g  weekday s an d  1.45 % o n  week e nds  f or   urba n  locat io ns .   So ,  the  lim it e d  avail able  sp e ct ru m   a nd  the  i neffi ci ency  us i ng  of  the  s pectr um   hav e  bec om e  on e  of  the  cu rr e nt  pro blem s  in  w irel ess   com m un ic at ion s.  C ogniti ve r adio  te c hn i que  has bee n propo sed  as  a s olu ti on to  these  prob lem s.    The  c ogniti ve  rad i o  te ch no l ogy  is  base d  on  the  opport unist ic   us age  o f  the  sp ect r um   by  al lowing   un li cen sed  us e rs  to  ex plo it   frequ e ncy  ba nds   of   li cense d  use rs.   O pport uni sti c  sp ect ru m   acce ss  involve s  two  ta sk s  of co gnit ive  rad i o  syst e m : spectru m  sen sin g  a nd  dyna m ic  sp ect ru m  access.   Ma ny  sp ect r um   sensing   te ch niq ues  ha ve  be en  r ece ntly   stud ie d,   nam el y  E nergy  detect io n  [ 2],  hybri d  sp ect r um   sensi ng   m et ho d  [ 3],   disc rete  m ark ov   c hain  ba sed   m et ho d  [ 4],  ei gen   value  ba se d  sp ect r um   se ns in g  [5 ] , a nd m at ched   filt er d et ect or an d  cy cl os ta ti on ary  detect or [6 ] - [ 7] .   Ma ny  dy nam i c  sp ect r um   acce ss   m od el s  ha ve  been  stu di ed.   I n   L .   Chen   et   al   t he  a uthors  pr opos e d  M/ M/ 1  qu e ue  wh ic h  is  repre sented  by  a  t w o  dim ension al   sta te   transiti on  gr a ph   [ 8 ] .  Th e  auth ors  propose d  a   qu e uing  m od el   fo r  heter og e ne ous  data   tran sm issi on s  in  unde rlay   cogniti ve  rad i o  netw orks.   In   this  m od el ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5169   -   5177   5170   safety   or   em erg ency  relat ed  m essages  poss ess  pr eem ptive   higher  pr i or it y  ov e r  no nem erg ency  m essages.  This   m od el  h as tw o cl asses;  h ig h p rior it y f or prim ary us e r  a nd lo w pr i or it y f or   s econda r y use r.     I n  M.E .   Ba y r ak dar   and   A .   Ça lhan   non - preem pti ve  M/ G/1  pri ori ty   qu eui ng   m od el   of  s pectrum   han d - off  schem e  was  pr opos e d  in  co gnit ive  rad i o  ne tworks   [ 9 - 10 ] .   In   T . C.   Chu   et   al ,  the  auth or s  pro po se d  a  Dynam ic  Sp ect r um   Access  schem e  for  co gn it ive  ra dio   n et w orks,   wh e re  pr io riti es  for  the  band width,  the  s pe ct ru m   acce ss,  a nd   spe ct ru m   han d - off  a re  c on si dered  f or  th ree  ty pes  of   t raffic s   [ 1 1 ] .  Pa pe r  ha s  ad op te d  a  m ul ti - dim ension al   M arko v  c hain  wi th  th ree  sta te   va riables  t o  a naly ze  the  sta te   tr ansiti on s   of  t he   d ynam ic   sp e ct ru m   acce ss  schem e   wh ic h  en ables   us   to  ob ta in  th e  ste ady  sta te  distrib ution   of   the  nu m ber   of  each  kind  of  traff ic s   in the sy stem .    It  is  ver y  diffi cult  to  analy ze  the  be ha vio r   of   m ulti - channel   of  the  pr i or it y  queue  m od el   whe n  channel  us a ge  by  pr im ary  and   seco ndary  use rs  [ 1 2 ].   Alth ough  the  vast  researc h  on  th e  analy sis  of   pri or it y  qu e ues  with  a   sing le   cha nne l  facil ity,  eff or ts  on   the  c harac te rizat ion   of   m ulti   chan nel  qu e ues  we re  no t  as  extensi ve  or   fruit fu l  due  to  t heir  c om plica tio ns.  T his  is  es se ntial ly   un f or tun at e  si nce  th e  m od el ing   of   m any  te le com m un ic a ti on s  prob le m s  can  be  s uitably   placed  in  t he   fr am ewo r k  of  a  m ulti   chan nel   syst em ,  su ch  as   m ul ti  ch an nel  cogniti ve radi o netw orks  [ 1 3 ].   In  this  pa per ,   m ul ti - channel  pr eem ptive  pri or it y  m od el   ba sed  on  qu e uing  the ory   ha s  be en  pro po s ed   as a s olu ti on to  th is  prob le m .   The  m ai n  co ntr ibu ti ons  of this  p a per are a s fo ll ow s:   1.   Q ue uing  base d spectr um  access schem e for pr i or it iz ed  c og niti ve  ra dio net works   is  pro posed .   2.   An   acc ur at e  a naly ti cal   m od el   fo r  s pectr um  acce ss  queui ng  base d  sc he m e  pr iority   serv ic e   d isc i plin e   is  der i ved .   3.   The p r opose d  m od el  can  be  a pp li ed  for m ult i - pr i or it y sec ondar y  us e r.   4.   The p r opose d  m od el   can be  ge ner al iz ed  for   m ul ti - channels .   The  rest o f  this   pap e r  is  orga ni zed  as  fo ll ows :  In   Sect io n  2,  the  pro posed  m od el   has  bee n  intr oduce d.  The  sim ulati on  res ults  of  t he  pro po se d  m odel   ha ve  been  di scusse d  in   Se ct ion   3.  Finall y,  Sect io n  4  presents   the concl usi on  of the  pro pose d   m od el .       2.   P ROP OSE D MO DEL   In   this  sect io n,  a  pro po se d  m od el   based   on   queui ng   th eor y  ha s  bee n  pr ese nted .   S ym bo ls  and  no ta ti ons  us e d i n  this  pa per   ar e li ste d  in  T abl e 1 .       Table  1.  T he  Desc riptio n of S ym bo ls   Sy m b o l   Descripti o n   p   Mean ar rival  rate  o f  the  p ri m ar y  us er   si   Mean ar rival  rate  o f  class i secon d ary   u ser     Mean ar rival  rate  o f  all  u sers   µ   m e an  se rvice r a te     Utilizatio n  f acto r  it ’s =  λ /Cμ   C   n u m b er  of  chan n els in  the syste m     p rob ab ility  o f  exactly  n  us ers in  th e s y ste m     Av erage  n u m b er  o f  us ers in th e sy ste m     Av erage nu m b er  o f  us ers in th e waiti n g  buf f er     Av erage waiting  ti m e  of  the p ri m ar y   u sers in  the syste m   si   Av erage waiting  ti m e  of  us ers in th e  syste m     Av erage waiting  ti m e  of  us ers in b u f fer       2 .1 .   Pri mar y  User  M od e l   In  this  m od el ,  there  a re  se ve r al   channels  use d  by  pri m ary  us ers   a nd  can   on ly   be  us e d  by   seco nd a ry  us ers  whe n  t he  ch a nn el s  are fr ee. T her e  are t hr ee  possi ble c ases;  the a rr iv e d pr im ary us er  m ay  b e enc ount er:   1.   Ther e  is a n  em pty cha nn el   so ;  the  p rim ary use r wil l be acce ssed.   2.   Ther e   isn' t  an  e m pty  channel  an d  sec ondary   us er  i n  se rv i ce  so ;  the  sec onda ry  us e r  w il l  be  ejected  t o  wait ing   buf fer  and prim ary us er accesse d.   3.   Ther e  is  neithe r  a n  em pty chan nel  nor  seco ndary  us e r  in  servic e s o; the p rim a ry u ser  en te rs  the  que ue.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     Multi - Ch annel  Preem ptive  Pri or it y Mo del f or S pectru m  M ob il it y in Co gnit iv e Radio  Net works   ( S. E . Saa d )   5171       Figure  1.  Pr im ary Use r  M od e l       Figure  1 rep res ents the  possi bl e thr ee ca ses  wh e n  t he prim ary us e r has a rri ved .     2.2 .   Seco nd ar y User  M od el   The  sec onda ry  us ers  kee p  se arch i ng   for  c ha nn el s  t hat  are   fr ee  (a vaila bl e  for  us e )  at   s om e  po ints  in  tim e. Th ere a re  thr ee  possi ble  cases;  the sec onda ry  us er  m a y be e ncou nter :   1.   Ther e  is a n  em pty cha nn el   so ;  the sec onda ry  us er  w il l be  ac cessed.   2.   Ther e  is n' t  an  e m pty  chan nel   and   the re  is  lowe r  pri ori ty   seconda ry  us er  in  ser vice  so ;  the  lo wer   pr io ri ty  seco nd a ry user  w il l be e j ect e d t o wait ing   buf fer  a nd the  h i gher  prio rity  u se r  will   be  acce ss ed.   3.   Ther e   is  neithe r  an  em pty  cha nn el   nor  l ow e r   pr i or it y  seco ndary  us er  i n  se rv ic e  s o;  the  a r rive d  sec ondary   us er  en te rs  the   qu e ue.           Figure  2 .  S ec onda ry  User M odel     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5169   -   5177   5172   Figure  2  s how s  the  po ssi ble  three  cases;   the   secondary  use r  m ay   be  encoun te r.   Use rs  ar e  sel ect ed  to   beg i n  se r vice  in  t he  order  of  their  pr i or it y  c la sses,  bu t   on  a  first   com e  first  ser ve d  basi s  withi n  eac h  cl ass.     Ther e  a re  tw o  basic  pr i or i ty   discipli ne  m od el s,  pr ee m pt ive  pr i or it ie s  and   non - pr eem ptive  pr ioriti es.  Pr eem ptive  pr i or it ie s m ean th at , th e lo west  pri or it y us er  bei ng serve d  is  pree m pted  w he ne ver  a  h i gh e r p rior it y  us er  e nters  t he   syst e m .  Non - preem ptive  pri or it ie s,  a  us e r   bein g  ser ve d  cannot  be  pr ee m pted  if  a  higher  pr i or it y use r  e nt ers  the  queuei ng syst em . I n  t his  pap e r,  t he p reem ptive p ri ori ty   m od el  h a s  been sel ect ed.     2.3 .   Analy tical  Model   In  this  m od el ,   assum e  that;   the  a rr i ving  us ers   a nd  le avin g  us er s  of  the  queui ng  syst e m   o ccu r   accor ding  to  t he   birth   a nd  dea th  proces s.  H oweve r,   t he  te r m   birth   re fer s  t o  the  a rr ival  of  a  new   us e r  int o  the   syst e m , an d de at h  re fer s  to  t he  d e par t ur e  of  a ser ved use r.    The  s olu ti on  ha s the  fo ll owin g  ste ps  acc ordi ng to  t he gen er al   m et ho d desc ribe d  in  [ 1 4 ]:   1.   Ob ta in  the  ste ady stat e eq uations g over ning  the que ue.     2.   So lve  the  e qua ti on s  f or   fi nd i ng  out  the  pro ba bili ty   distribu ti on   of   qu e ue  le ng t h  by:  a)  Iter at ive  m et ho d.   b)  Using  ge ner at ing f unct ion s . c )  U sin g  li nea r op e rato rs.   3.   Ob ta in  for m ula for   Ls, L q,  Ws   an d,   Wq   as  shown i n  T a ble  1.   Af te r  c onstr uc ti ng   the  balan ce  equ at io ns   f or   al l  the  sta te s  in  te rm s  of   the      pro bab il it ie s,  this   syst e m  o f  e qu a ti on s ca n be s ol ved .     By  A pply ing t his  procedu re  yi el ds     =   {     1       ! . ( )   0                                    0 ≤ < 1       ! . − . ( )   0                                ≥     (1)     A  qu e uein g  m od el   is  base d  on  the   birt h  a nd  death  proces s,  so   the   sta te   of  t he  syst em   n  re pr ese nts  th e   nu m ber   of  us e rs  in  the  queue ing   syst em ,  the  key  m easur es  of   pe rfor m an ce  fo r  the  qu e uein g  syst e m   (L,   Lq ,   W,  a nd  Wq) ca n be  ob ta ine d.   Fr om  d efi niti on  of       =   ∑ ( − ) ∞ =   (2)     By  so lvin g  t his  equati on w e  get     =   1 . !   . (  ) + 1 ( 1 − ) 2     . 0   (3)     It h as  b ee n p roved that  in  a st eady sta te  que uing syst em ,     L   =   λ   W   (4)     This e qu at i on is cal le d  Lit tl e’s  f or m ula.    Assum e that t he  m ean ser vice  tim e is a consta nt,  1 μ . I t t hen f ol lows  t hat     W = W q   +   1 μ   (5)     These  relat ionships   are  e xtre m el y  i m po rtant  because   they   ena ble  the  fund am ental   para m et ers  L q,   Wq,  L,  an d  W  to  be  i m m edi at el y  deter m in ed  as  soon   as  on e  is  f ound  analy ti cal ly .  Th is  relat ion   is  fo rt un a t e   because   s om e  of  these   qua ntit ie s  of te n  are   m uch   easi er  to   fin d  t han  ot he rs  wh e n  a   qu e uing  m od el   is  so lve d  from  b asi c p ri nc iples.     2.4 .   Th e  Av er ag e  W aitin g  T im e in  t he  S ystem   Fo r   P reem pti ve  pr i or it y,  wait ing   ti m e  for  pr im ary  us ers   m us t  equ al   wait in g  tim e  fo r  t he  corres pondin g  on e  cl ass  m od e l.  Be cause  the w ai ti ng   ti m es  fo r  pr im ary  us ers  are  c om pletely   un af fected by   the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     Multi - Ch annel  Preem ptive  Pri or it y Mo del f or S pectru m  M ob il it y in Co gnit iv e Radio  Net works   ( S. E . Saa d )   5173   pr ese nce of  use rs  in   the seco nd a ry  cl asses,  w ai ti ng   ti m e  will   be  the  sam e  for  a ny  ot her  va lues o f  a rr i val  rates ,   includi ng   λ si   = 0. T he wai ti ng  ti m e fo r  prim ary  u se r  ca n be  form ulate d  from   Eq uations ( 3 ) , ( 4 ),  a nd  ( 5 ):     W p = 1 [   c !     ( c μ −   λ ) ( λ μ ) c     ∑ ( λ μ ) n n !     + c   μ ]     [ 1 −   λ p c   μ ] c − 1 n = 0     + 1 μ   (6)     Wait ing  ti m e fo r   seco ndary  use r  ca n be calc ulate d by an  it erati ve pr oce dur e.   Cl ass  on e  seco nd a ry  us e r  is  c om plete ly   un aff ect ed  by  lowe r - pr i or it y  cl asses,  w hich  ca n  t her e fore  be   ignore d  i n  the  analy sis.   Let   W X1   be  the   ex pected  wait ing  tim e  in  the  syst e m   of   a  rand om   arr ival  in  e it her  of   these  pr im ary us ers  a nd class  one sec onda ry u se rs:     W x1 = 1 [   c !     ( c μ −   λ x1 ) ( λ x1 μ ) c     ∑ ( λ x1 μ ) n n !     + c   μ ]     [ 1 −   λ x1 c   μ ] c − 1 n = 0     + 1 μ   (7)     λ x1 =   λ p +   λ s1   (8)     S o  the   prob a bi li ty   is  that  this   arr ival   is   pri m ary  us er   λ p λ p +   λ s1   a nd  λ s1 λ p +   λ s1 ,   that  it   is   in   cl a ss  on e   sec onda ry  us er .   Ther e f or e,   W x1 = λ p λ p +   λ s1   W p +   λ s1 λ p +   λ s1   W s1               (9)     W s1 = λ p +   λ s1   λ s1   W x1 −   λ p   λ s1   W p   (10)     Fo r  cl ass  tw o  seco nd a ry  us e r :  Let   W X2   be  the  ex pected  wait ing   ti m e  i n  the  syst em   of   a  rand o m   arr ival i n   ei the r of  t hese  pr im ary us e rs,  cl ass  one sec onda ry u se rs,   an d  cl as s two sec onda r y user s:     W x2 = 1 [   c !     ( c μ −   λ x2 ) ( λ x2 μ ) c     ∑ ( λ x2 μ ) n n !     + c   μ ]     [ 1 −   λ x2 c   μ ] c − 1 n = 0     + 1 μ   (11)     λ x2 =   λ p +   λ s1 +   λ s2   (12)     W x2 = λ p λ p +   λ s1 +   λ s2   W p +   λ s1 λ p +   λ s1 +   λ s2   W s1 + λ s2 λ p +   λ s1 +   λ s2   W s2   (13)     W s2 = λ p +   λ s1 +   λ s2   λ s2   W x2 −   λ s1   λ s2   W s1 −   λ p   λ s2   W p   (14)     The  wait ing  ti m e  fo r   cl ass  t hr ee   can   be   de rive d  with  t he   sam e  pr oce dures ,  a nd  the   oth e r  th ree  par am et ers  can  b e ea sil y form ulate d by usi ng  equati ons (4 ),   and ( 5).       3.   SIMULATI O N RESULTS   This  sect io n  e valuates  t he  pro posed   m od el   us in g  M AT LAB.  Re s ults   ha ve  bee n  ca rr ie d  out  by   var yi ng  t he  ar r ival  rate  of   t he   pr im ary  us ers .  The  pro posed   m od el   has  bee n  e valuate d  by  four  m et rics  nam el y,   exp ect e d  wait ing   ti m e  in  qu e ue,   e xp e ct ed  num ber   of  us e rs   in  que ue,   e xp e ct ed  wait in g  ti m e  in  th e  syst em ,  and   exp ect e d nu m be r of   us e rs  i n  t he  syst em . Results ha ve bee n ob ta ine d  i n  t he  case  of   five  cha nn el s .     3.1. C ompari s on   between  The Pr oposed  Model  and T h e Basic  Model  Queue  in  [ 1 5 ]   Au t hors  i n  [ 1 5 ]   prov i de  t he  descr i ption  a nd  c om par iso n  of  13  st ru ct ur e d  a nd  sim ulatio n  m od el ing  syst e m s   (S SMS) .  Str uct ur al   and   sim ulati on  m od el ing   syst e m s  are  com p ared   to  eac h  oth er .  Str uctur al   m od el  si m ulate d  in  [ 1 5 ]   pro po se d  qu e uing  m od e l  without  pr io r it y.   In   this  sub sect io n,   resu l ts  ob ta in ed  fro m   the   pro po se d  m od el   will   be  co m par e d  with  the   resu lt s  in  [ 1 5 ] .  The  p aram eter s  us e d  in  this  si m ulati on   are  the   sam e as the p ar a m et ers  us e d  i n [ 1 5 ].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5169   -   5177   5174       Table  2 .  C om par iso n of  t he Pr opos e d  M od el   with  t he  Basi c  Mod el  i n  [ 1 5 ]   Para m eter   Prop o sed  M o d el   Res u lts o f   [ 1 5 ]   PU   SU1   SU2   SU3   Total  Netwo rk   L q   0 .00 0 1 9 3 9   0 .00 8 4   0 .06 5 7   0 .27 9 9   0 .35 4 1 9 3 9   0 .35 4   L   0 .75 0 2   0 .75 8 4   0 .81 5 7   1 .02 9 9   3 .35 4 2   3 .35 4   W q   0 .00 7 7 5 7 2   0 .33 7 4 8 6 9   2 .62 6 7   1 1 .19 7   3 .54 2 2 3 6   3 .54 2   W   3 0 .00 8   3 0 .33 7   3 2 .62 7   4 1 .19 7   3 3 .54 2 2 5   3 3 .54 2       As  s how n  in  T able  2,  total   re su lt s  obta ine d  from   the  propo sed  m od el   are  the  sam e  as  the  res ults  in  [1 5 ] .  All  m eas ur e d  tim e  values  in  un it   tim e.   This  si m ulati on   has  bee n  pe r form ed  to  pr ov e  that,  the  pr opose d  m od el  is v al ida te d  by c om par ing t he  t otal res ults achie ved  with the  r es ults  of the  c on ven t ion al  m od el .   In   I.   Y aki m ov   et   al   a  co nvent ion al   que uing  m od el   witho ut   pr io rity   was  pr ese nted ,  w hi ch  does  not   m eet   the  req ui rem ents  fo r  co gn it ive  ra dio   ne tworks   [1 5] .  This  pa per   pro po s es  a  m od el   fo r  m ulti - cha nn el ,  m ul ti - cl asses  cogniti ve  ra dio  netw ork s  us i ng   t he  preem ptive  pr io rity   m od el   based   on   queui ng   th eor y.  A  perform ance  analy sis  in  the   m os t  gen e ral  form   can  be  cond ucted  by  the  pro po se d  m od el .  I n  th e  nex t   su bse ct ion,  the   pr op os e d  m odel   will   be  anal yz ed   to  ensure   pr io rity   fo r  pr i m ary  us ers  an d  ens u re  pri ori ty   fo r   higher  class se conda ry u se r o ver lo wer  class   at   a  di ff e ren t a rr ival  rate .     3.2. Per f orm ance  Ev alu at io n  of  t he  Pro posed  Mo d el   at  Diff ere nt Re q uest R at e   In   t his  sim ulati on,  the  a rr i val  rate  of  the  pr i m ary  us ers  m ay   var y  bet wee n  0.0 1 - 4  re qu e st/ sec .   In   t his   analy sis,  the  a rr ival  rate  of  t he  sec onddary   us er s   is  4  re quest /se c   f or   ea ch  cl ass,  a nd  the  ser vice  rate  is  4  request/ sec f or  each c hannel.           Figure  3 .  Expe ct ed W ai ti ng T i m e in  the  Qu e ue       Figure  4 .  Expe ct ed W ai ti ng T i m e in  the  Syst e m       The  pe rfor m ance  in  te r m s  of   wait ing   ti m e   in  bu f fe r  is  sh ow n  in  Fig ur e  3.   I t  can  be  obser ve d  that,  the  wa it ing   tim e  in  buff e r   f or  prim ary  us er  is  the   lo west  i n  the   syst em .  Re su lt s  sho w  t hat,  at   the   poi nt   of  λ p   = 4 ,   λ s1   =   λ s2   =   λ s3    = 4  r equ e st/ sec;  W ai ti ng ti m e fo r  pri m ary  an d  th ree classes of  sec onda r y user  is 0 . 24   m s,  9. 7  m s,  78 . 6  m s,  and   465.6  m s  resp ect ively .  We  can  exam ine  the  eff ect   of  pr iority   schedule   at   this  po int.  The  wait in g  ti m e  i n   the  queue  with ou t  pr io rity   is  138.5  m s ,  so ,  the  pri ori ty   sched ule  im pr ove s  the  wait ing   ti m e  in  qu e ue  f or  cl ass  on e  sec onda ry   us ers ,  an d  cl ass  two  sec onda ry  us ers  by  92. 99%,  an d  43 .25%  res pecti ve ly   co m par ed  to  the   basic m od el  w i thout p rio rity .   It  is  i m po rtant   to  note   that,  t he  ave ra ge  of  wait in g  ti m e  f or   al l  use rs  of   the  pro posed   m od el   at   any  po i nt  is  e xactl y  equ al   to  t he   wait ing  ti m e  in  the   que ue  without  pr i or it y  First  Com e  First  Se rv e   (FC FS)  discipli ne  at   th e  sam e  po int,  s o,   th e  ave ra ge  of   wait ing  tim e  for  al l  us e rs  at   the  point  λ p  =  4,   λ s1   =   λ s2   =   λ s3     =  4  request/ sec  i s  138.5   m s.   I t  is  obser ve d  th at   the  wait in g  tim e   in  qu e ue   increases   in  a n  ex pone ntial   orde r  as   the ar rival  rate  of prim ary us ers  inc rease d.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     Multi - Ch annel  Preem ptive  Pri or it y Mo del f or S pectru m  M ob il it y in Co gnit iv e Radio  Net works   ( S. E . Saa d )   5175   Figure  4   s how s  that,  at   the   point  of   λp   =   4  request/ sec;   w ai ti ng   tim e  fo r   pr im ary  and   t hree  cl asses  of  seco nd a ry  us e r  is  25 0.24   m s,259.7  m s,  32 8.6  m s,  an d  715.6  m s  respec ti vely .  To  s tud y  the  im pact  of  pr i or it ie s,  the   wait ing  tim e  i n  the   syst em   without  pr i or it y  is  388.5   m s  so ,   the  pri or it y   sche dule   im pr ov e s  the   wait ing  tim e  in  cl ass  one  seco nd a ry  use rs,   a nd  cl ass   two  seco ndary   us e rs  by  33. 15%,  a nd  15. 42%   resp ect ively .   As  the  pri m ar y  us er  arr i val  rate  increases,   then  due  to  high  pr i or it y,  the  pr im ary  us er  ta kes  th e   c hannel  from   s econda ry  us e r  and  the  sec onda ry  us e r  will   be   ejected   to  wa it ing   bu ff e r.   F urt her,  as  t he  pr i m ary  us ers  us e  m or e  channels  in  the  syst e m ,  then  the  wait in g  tim e  to  the  s econda ry  us er s  sh ould   inc re ase   as   dep ic te d  in  F igures  3  a nd  4.  The n,  if  the re   isn' t  an  em pty  channel  for  seco nd a ry  use r   an d  the re  is  l ow e r   pr i or it y  second ary  us er  in  se r vice  so ;  the  lo wer   pr io rity   seconda ry  us er  will   be  ejected   to  wait ing   buf fer   an d  the  higher   pri ori ty   seco nd a ry  us er   will   be  ac cessed.   Co ns e qu e ntly ,  the   lo wer  pri ori t y  seconda ry  use r  will   be   m or e aff ect ed   by inc reasin g  t he prim ary us e r  ar rival  rate .           Figure  5 .  Expe ct ed  N um ber   of Use rs  in Wai ti ng       Figure  6 .  Ex pe ct ed  N um ber   of Use rs   in   Syst e m       As  sho wn   i n  F igure  5,  the  nu m ber   of  use rs  in  the  wait ing   buf fer   f or  pr im ary  us ers  is  lower   tha n  oth e rs  us er s.  R esults  s how  t ha t,  at   the  po i nt   of  λ p  =  4 requ est /se c;   nu m ber   of  us e rs  in   th e  wait ing  bu ffer  f or  pr im ary  and   t hree  cl asses  of  seco nd a ry  use r   is  0.0 0096,  0.038 8,   0.3 144,  and  1.8 6  res pe ct ively .  To  st udy  the  i m pact  of   pr i ori ti es,  the  wait ing  tim e  in  the  syst e m   witho ut   pr i or it y  is  2.2 2  s o;  the  pr i or i ty   schedule  im pro ves   the  wait in g  ti m e  in  cl ass  one  sec onda ry  us ers ,  a nd  cl ass  tw o  sec ondar y  us er s  by   93%,  a nd  43. 35%   re sp ect ively .   Figure  6  s hows   that,  the  nu m ber   of  u sers  in  t he  syst e m   fo r  pr im ary  us ers  are  lowe r  than  oth e rs  us e rs .   Re su lt s  sho w  t hat,  at   the   poin t  λp   =  4 request /se c;   nu m ber   of  use rs   in  t he  s yst e m   fo r  pr im ary  an d  t hr ee  c la sses   of  sec ondar y   use r  is  1.0 01,  1.0 388,  1.314 4,  an d  2.8 622  re sp ect ively .  T o  stud y  t he  im pact  of  pr io riti es,   the  nu m ber   of   us er s  in  the  syst em   without  pri ori ty   is  6. 22  so ;  th e  pr i or it y  sche du le   im pr oves  the  num ber   of   us er s   in  the  syst e m   in  cl ass  one   seco ndary  use rs,   a nd  cl ass   two  sec onda ry  u se rs  by  33. 2%,  an d  15 .47%  resp ect ively .   Fr om   the  per f or m ance  analy sis  resu lt s,  it   i s  con cl ud e d  th at ,  at   the  arr ival  rate  of   the  pr im ary  us er   increases ,  the  wait ing   ti m e  a nd   t he  nu m ber  of   us e rs   inc re ase ,  but  the  pr i or it y  of  each   c la ss  is  reserve d.   T he   wait i ng  ti m e for pr im ary us ers  are  c om plete l y un a ff ect e d b y t he  prese nce  of u se rs  i n  the   seco nd a ry cla s ses.   In   m os t  previ ou s   stu dies,  t he  a uthors  co ns ide r  that  t he   seco ndary  use r  is  a  sin gle  cl ass.  T his   consi der at io n  do e s  not  m ee t  the  nee ds   of  m ulti ple  app li cat ion s  for  the  us e  of   c ogniti ve  rad i o.   T her e for e,  the   m od el  p rese nte d  in  this  pa per   is a sol ution t o t his problem .   Com par ed wit h  the  pre vious  works [ 8 -   10 , 1 2 ] , th e   auth or s   hav e   a ssu m ed  the  c ogniti ve   ra dio  ne tworks   by   ass um ing   the  pro blem   as  a  sin gl e  cha nn el .   H oweve r,  these  m od el s  do  not  a dequa te ly   ov erc om e   the  need  to  a naly ze  of  c ogniti ve  ra dio  ne tworks   as  they   ha ve   m ul ti ple  channels.   T he refore ,  the   m od el   pr ese nted   in   this  pap e r   ca n  be  ef fici ently   us e d  t o  a naly ze  th e   beh a vior  of m ulti - channel o f  t he pri or it y   que ue  m od el  for c ogniti ve radi o netw orks.             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5169   -   5177   5176   4.   CONCL US I O N   In   t his  pap e r,  pr i or it y  base d  pr eem ptive  qu euin g  m od el   ha s  bee n  pro posed  for  c ha nn e l  acce ss  i n  cogniti ve  ra di o  netw orks .  St eady  sta te   analy sis  of   the  pro po s ed  m od el   is  pr ese nted .  Pre e m ption   pri or it y  i s   util iz ed  to  m eet   requirem ents  of  the  cl as s  one  an d  cl ass   tw o  sec onda ry  use rs.   The   pr opose d  m od el   give s  the   com m end able  sche du le s  of  pr i m ary  and   seco nd a ry  us er s.T hi s  wo r k  can  be   extend e d  to  e valuate  a  pr ee m pt ive   pr i or it y  discipl ine  in  eve nt  sim u lator ,  a nd   c an  be  e xten de d  to  an al yz e  the  pe rfor m anc e  in  the  case  of  finite   siz e o f  w ai ti ng  buff e r.       REFERE NCE S   [1]   O. W .   Bello,  O . A.  Sow ande ,   S. O.  Onidar e ,   M . Y.  Muham m ada ,   and   A.A.  A y e ni,   “ Large  sc ale   spec trum  surve y   in   rura l and  urb an e nvironments  wit hin  th e   50   MH z – 6  GH z  bands” ,   E lsev i er,   M easurement   Journal   91,   2016.   [2]   F.Z .   El   B ahi,  H.   Ghennioui ,   and  M.  Zoua k ,   ”  Per form anc e  Ev al u at ion  o f  En erg y   Dete c tor  Based   Spect rum   Sensing   for  Cognit ive   Radi o  using  NI  US RP - 2930” ,   Inte rnational   Jo urnal  of  El e ct ri cal   and  Computer  Engi ne ering   ( IJE CE) ,   vol. 7,  no.   4 ,   pp .   1934   –   1940,   2017.   [3]   A.S.  Khobraga d e1,   and   R.   D.  Raut ,   ”  H y brid   Spect rum   Sensing  Method  for   Cognit ive  Radio” ,   Int ernati ona l   Journal  of   Elec t rical   and   Computer  Eng ine ering   ( IJE CE) ,   vol. 7,  no. 5,   pp.   2683  –   2695,   2017 .   [4]   Moham m adr ez a  Am ini ,   As ra  M irz av andi ,   Mos r afa   Re zaei ,   “ Discre t e  Markov  C hai n  Based  Spe c trum  Sensing  for  Cognit ive  Radi o ” ,   In te rnationa l  Journal  of  El e ctr ic al  and  Comp ute r  Engi n ee rin g  ( IJE CE) ,   vol.  5,   no.   2,   pp .   297   –   30,   2015 .   [5]   S. S.  Ali,  C.   Liu,  and   M.  Jin ,   “ Minim um   Ei genva lu e  Det ect ion  for  Spe ct ru m   Sensing  in  Cognit ive  Radio” ,   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring   ( IJE CE) ,   vol .   4 ,   no .   4,   p.   623,   2014.   [6]   H.  Sun,  A.  Nallana th an,   C. X .   W ang,   and  Y.  C hen,   “ W ide band   spec trum  sensin g  for  cogni ti v e   rad io  net works :   a   surve y ” ,   IEEE Wirel. Commun . ,   vol .   20 ,   no .   2 ,   p p.   7481 ,   2013 .   [7]   J.  Avila,  and  K.   The nm ozhi ,   “ Multi band   OF DM   for  Cognit iv e  R adi o  –   A  W a y   f or  C y cl ost at ion a r y   D et e ct io n   and  Inte rfe r ence  Ca n ce l la t ion ” ,   Int ernati onal  Journal   of  E lectri cal   an d  Computer  Eng ine ering   ( IJE CE ) ,   vol.   6 ,   no .   4 ,   pp.   1702   –   1709 ,   2016.   [8]   L.   Chen ,   L .   Huang,   H.  Xu,  and   J.  Hu,  “ Queue i ng  Anal y sis  for  Pree m pti ve  Tr an sm ission  in  Und erl a y   Cogn it iv e   Radi o  Networks ”,   Int ernati onal  Journal  of  Comm unic ati on  S yst ems ,   29:   1138 – 1 155.   doi:   10 . 100 2. ,   John  W il e y   &  Sons ,   Lt d,   2016.   [9]   M.E .   B a y rak d ar,  and,  A.  Ç al han ,   “ Im proving  spec trum  handof f  u ti lization  for   pri orit ized  cogni t iv e  rad io  users  b y   expl oiting  ch an nel   bonding  wi th  starvation  m it igation”,  E lsevie r,  Int ernati on al  Journa l  of  El e ct ronics  an d   Comm unic ati ons ( AE Ü) ,   2017.   [10]   M.E .   B a y rak d ar ,   and ,   A.   Çal h a n ,  “ Non - Pree m pti ve  Queu ei ng   Model  of  Spec t rum   Handoff  Scheme  base d   on   Priorit ized  Da ta  Tra ffi c in  Cogni t ive   W ireless Netw orks ” ,  ETRI   Jo urnal ,   39  (4), 55 8 - 569,   2017 .   [11]   T. C.   Chu,   H.  Ph an,   and  H.   Z epernic k,   “ D y namic   Spect rum   Ac ces s  for  Cognit iv e   Radi o   Network sW it h  Priorit i zed  Tra ffi cs” ,   IE EE   communic ati ons  le tters ,   Vol .   18 ,   NO .   7,   2014 .   [12]   V.  Kum ar,   S.  M inz   ,   and  Vipin  Kum ar,   “ Perfor m anc e  anal y s is  of  cogni ti v e  rad i o  net works   under   spec trum  sharin g   using que uing   a pproa ch”,  El se vier,  Computers a nd  Elec tri cal E n gine ering   52,   20 16.   [13]   Navid  T aday on ,   “ Modeli ng,   D e sign  and  Ana l ysis  of  Multi - Ch anne l   C ognitive   Radi o   Network s”,   PH D  The sis ,   2016.   [14]   P.  Kanda sam y ,   K.  Th il ag ava t hi,   and  K.  Gu nava th i ,   “ Proba bil ity   s ta t isti cs  and  Queuing   t heor y ”,  S.  Ch a nd  &Com pan y   LTD . ,   New D el hi ,   2006.   [15]   I.   Yakimov,  A.  Kirpic hnikov ,   V.   Moks hin,   Z.   Ya khina ,   and  R.   Ga inul li n ,   “ The   C o m par ison  of  Struct ure d  Mode li ng  and  Sim ula ti on  Modeli ng  of  Qu eue ing  S y stems ”,   16th   Inte rnat i onal  Confe ren ce,  Information  T ec hnolog ie s  and   Mathe mati cal   M odel li ng   ( ITMM),  Queu ei ng  Theo ry  and  App lications ,   Springer ,   2 017.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     Multi - Ch annel  Preem ptive  Pri or it y Mo del f or S pectru m  M ob il it y in Co gnit iv e Radio  Net works   ( S. E . Saa d )   5177   BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS       Saad  El sa y ed  is  an  As sistant   Le c ture r  in  the   High   Instit ute   for  En gine er ing  and  T ec hnolog y ,   Al - Obour,  Cai ro,   Eg y p t.   He  rece ive d  his  BS c  and  MS c  in  El ec tronics  and  Com m unic at ion s   Engi ne eri ng  fro m   the   Facul t y   o f  Engi nee r ing,   Al - Azha r  Unive rsit y ,   Cai ro ,   Eg y pt ,   in  2008  an d   2015  respe ct iv ely .   He  is  cur ren t l y   a  PhD   student   at   Facul t y   of  En gine er ing,   Al - Az har   unive rsit y ,   Cai ro. His re se ar ch  a ct iv it i es  ar e withi n  wir el ess  c om m unic at ions  and  comm unic a t ion  ne tworks.         Ibra him  Fath y   Ta rra d   re ceive d   his  BS c  and  M Sc  degr ee s  in  El ectroni cs  and  Com m unic at ions  Engi ne eri ng  fro m   the   Facul t y   o f  Engi nee r ing,   Al - Azha r  Unive rsit y ,   Cai ro ,   Eg y pt ,   in  1984  an d   1989,   respe ct iv e l y .   He  r ecei ved   his  PhD   from   th e  Techni ca l  Un i ver sit y   of  Bud ap est  in  1996 .   In   19 96,   he  was  appoi nt ed  Lectu rer   at   the   Dep art m ent   of  E lectr oni cs  and  C om m unic at ions  Engi ne eri ng,   A l - Azha r  Univer sit y .   In  2015,   he  bec ame  an  As socia te   Profess or  i n   Com m unic at ions  Engi nee ring  at  the   Facult y   of  Engi ne eri ng,   Al - Azha r  Univer sit y .   His  rese arch   act ivi ties a re  wi t hin  wire le ss   com m unic at ions  and   digi t al c om m unic a ti ons.         Abdelha d y   Abd el a zi m   Am m ar  is  a  profe ss or  in   El e ct ron ic s  and   Com m unic at io ns  Engi ne eri ng   depa rtment ,   Fa c ulty   of   Engi n ee r i ng,   Al - Azh ar  Un ive rsit y ,   Ca iro,  Eg y p t  sin ce   198 8.   His  rese ar ch  a ctivit i es  ar e  with i n  digi t al  comm unic a ti ons,  m obi le   comm unic at i ons  and  dig it a l  signal   pro ce ss in g.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.