專利名稱：基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)及其資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及認(rèn)知無線電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電 系統(tǒng)及其資源分配方法。
背景技術(shù)：
近年來，認(rèn)知無線電被認(rèn)為是一種可以促進(jìn)頻譜高效利用的有效手段。但是，因?yàn)?次級(jí)用戶只能機(jī)會(huì)式地使用未被主用戶占用的頻譜空洞，而分布在不同地理位置的主用戶 的頻譜使用狀況是不同的，所以在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，頻譜可用性具有不穩(wěn)定的特性，而且 可用頻譜的分布也可能十分不平衡。與此同時(shí)，用戶業(yè)務(wù)類型和需求是多種多樣的，這就意 味著有可能發(fā)生一個(gè)認(rèn)知用戶的可用頻譜資源與其業(yè)務(wù)需求非常不匹配的情況。為了協(xié)調(diào) 用戶可用頻譜資源與業(yè)務(wù)需求之間可能出現(xiàn)的不匹配性，盡可能為認(rèn)知用戶提供滿足QoS 需求的服務(wù)，同時(shí)增大系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率，中繼被引入到認(rèn)知無線電系統(tǒng)中。在可使 用中繼傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)中，有些用戶的業(yè)務(wù)需求較低，無需占用其可使用的所有頻 譜即可完成傳輸任務(wù)，所以，如果這些頻譜資源比較“富?！钡恼J(rèn)知終端可以利用自身多余 的頻譜資源中繼其他認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)，系統(tǒng)吞吐量和資源利用率就將得到提升。同時(shí)，用戶 不僅可以通過認(rèn)知基站向終端的直接傳輸獲得服務(wù)，還可以選擇其他認(rèn)知終端作為其中繼 節(jié)點(diǎn)為其提供中繼傳輸，這樣用戶的QoS需求也將得到更好的滿足。但是，在認(rèn)知無線電系 統(tǒng)中引入中繼以后，無線資源分配就將變得十分靈活且復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)一種合適的無線資 源分配機(jī)制與方法就成為了認(rèn)知系統(tǒng)所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。端到端重配置(End-to-End Reconfigurability, E2R)是無線通信中的先進(jìn)的概 念，它是軟件無線電(Software Defined Radio, SDR)的演進(jìn)技術(shù)。重配置技術(shù)的誕生使得 終端設(shè)備以及認(rèn)知基站設(shè)備可以靈活動(dòng)態(tài)地配置其工作頻率等工作參數(shù)，并允許其工作在 任意頻段和資源使用模式下。終端和認(rèn)知基站能夠靈活動(dòng)態(tài)地工作在不同頻段的能力使得 認(rèn)知中繼系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。重配置技術(shù)的出現(xiàn)將支持認(rèn)知中繼系統(tǒng)中靈活的無線資源 分配，有效地優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)在盡可能滿足用戶QoS需求的前提下最 大化系統(tǒng)有效吞吐量的目標(biāo)。目前，人們已經(jīng)針對(duì)認(rèn)知中繼系統(tǒng)中的無線資源分配問題提出了一些解決方法。 其中一種較為主流的系統(tǒng)與場(chǎng)景設(shè)計(jì)為在此認(rèn)知中繼系統(tǒng)中，次級(jí)用戶只能使用未被主用戶占用的頻譜。系統(tǒng)中各個(gè)節(jié) 點(diǎn)(包括認(rèn)知基站和認(rèn)知終端)的頻譜可用性可能是不同的。若以子信道為頻譜劃分的單 位，則僅當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用子信道匹配的時(shí)候，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)才可以直接通信。假定任意節(jié)點(diǎn) 都處于其他節(jié)點(diǎn)的干擾范圍之內(nèi)，為了避免干擾，一個(gè)子信道只能同時(shí)被一個(gè)連接使用。認(rèn) 知終端不僅可以通過與認(rèn)知基站直接通信獲取服務(wù)，也可以選擇其他認(rèn)知終端作為其中繼 節(jié)點(diǎn)為其提供中繼傳輸。所有的認(rèn)知終端最多有兩跳(即經(jīng)過一次中繼)。認(rèn)知終端的傳 輸均為半雙工。另外，此系統(tǒng)為時(shí)分系統(tǒng)。每一個(gè)幀被劃分為兩個(gè)相等的時(shí)段。在每幀的 前半段，只能進(jìn)行認(rèn)知基站與認(rèn)知終端之間的直接傳輸。在每幀的后半段，除了進(jìn)行認(rèn)知基站與認(rèn)知終端之間的直接傳輸外，還可以進(jìn)行認(rèn)知終端之間的中繼傳輸。因?yàn)榇讼到y(tǒng)為半 雙工系統(tǒng)，所以各節(jié)點(diǎn)的接收與發(fā)射是不能同時(shí)進(jìn)行的。這就意味著一旦一個(gè)用戶被選作 中繼，則其在每一幀的后半段就不能再從認(rèn)知基站接收數(shù)據(jù)了。每一個(gè)認(rèn)知終端最多有一 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)為其提供中繼傳輸，每一個(gè)被選作中繼的認(rèn)知終端也最多為一個(gè)其他用戶提供 中繼協(xié)助?；谏鲜鱿到y(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一種資源分配方法首先將所有認(rèn)知終端分為能與認(rèn) 知基站直接通信的和不能與認(rèn)知基站直接通信的認(rèn)知終端兩類。將認(rèn)知基站的可用子信道 分配給各個(gè)能與認(rèn)知基站直接通信的認(rèn)知終端以使系統(tǒng)總的有效吞吐量最大。如果一個(gè) 認(rèn)知終端獲得的吞吐量比其需求的小，該用戶的業(yè)務(wù)需求尚未被完全滿足，那么該用戶即 被稱作一個(gè)潛在的目標(biāo)，還需要中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)助。如果一個(gè)認(rèn)知終端獲得的吞吐量足以使 其業(yè)務(wù)需求得到完全滿足，那么該用戶可以進(jìn)一步作為中繼協(xié)助其他節(jié)點(diǎn)，該用戶被稱作 潛在中繼。接下來，采用一種貪婪式的改進(jìn)的最大流算法為每一個(gè)潛在目標(biāo)選擇一個(gè)最適 當(dāng)?shù)臐撛谥欣^，同時(shí)根據(jù)信道可用性與業(yè)務(wù)需求之間的匹配關(guān)系為他們之間的傳輸分配信 道。然而，本方法只是盡可能的為“潛在目標(biāo)”(尚未滿足QoS需求的認(rèn)知終端)選擇 最適當(dāng)?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，并不以保證認(rèn)知用戶的QoS為目標(biāo)，因此無法保證對(duì)認(rèn)知用戶QoS的滿 足。同時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)定的每一個(gè)認(rèn)知終端最多有一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)為其提供中繼傳輸以及每一 個(gè)被選作中繼的認(rèn)知終端也最多為一個(gè)其他用戶提供中繼協(xié)助使得系統(tǒng)無法靈活便捷的 為尚未滿足QoS需求的用戶提供容量充足的傳輸資源，也限制了系統(tǒng)有效吞吐量的增大以 及頻譜利用率的提高?，F(xiàn)有技術(shù)中的大多數(shù)系統(tǒng)都是從單純提高系統(tǒng)容量的角度出發(fā)的，沒有或較少考 慮到用戶的QoS需求的影響，也就無法充分保證系統(tǒng)對(duì)認(rèn)知用戶QoS的滿足。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于認(rèn)知中繼系統(tǒng)中的聯(lián)合進(jìn)行中繼選 擇、頻譜分配和速率控制的無線資源分配決策方案，以更好的為認(rèn)知用戶提供服務(wù)，滿足用 戶業(yè)務(wù)的QoS需求，同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)總吞吐量、頻譜利用率等系統(tǒng)性能。(二)技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)，該系 統(tǒng)包括認(rèn)知基站、以及若干認(rèn)知終端，所述認(rèn)知基站包括基站環(huán)境認(rèn)知模塊，用于認(rèn)知外 部環(huán)境；認(rèn)知信息庫，用于存儲(chǔ)所述認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端的外部環(huán)境信息，以及各認(rèn)知終 端正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息；無線資源分配模塊，用于根據(jù)所述認(rèn)知信息庫存儲(chǔ)的信息 周期性進(jìn)行系統(tǒng)的無線資源分配決策，并將所述分配決策傳送至基站重配置管理模塊以及 各終端重配置管理模塊；基站重配置管理模塊，根據(jù)所述無線資源分配模塊的分配決策執(zhí) 行本基站的頻率和工作參數(shù)的重配置與管理；所述認(rèn)知終端包括業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊，用于實(shí) 時(shí)更新并記錄本終端正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息，該狀態(tài)信息包括業(yè)務(wù)類型，QoS需求以及 業(yè)務(wù)完成信息；終端環(huán)境認(rèn)知模塊，用于認(rèn)知外部環(huán)境；終端重配置管理模塊，用于根據(jù)所 述無線資源分配模塊的分配決策，執(zhí)行本終端的頻率和工作參數(shù)的重配置與管理。
其中，所述基站環(huán)境認(rèn)知模塊包括基站頻譜檢測(cè)單元，用于檢測(cè)本基站處主用戶 對(duì)頻譜的使用狀況，得到本基站的頻譜可用性信息；基站信道測(cè)量單元，用于測(cè)量本基站與 其所覆蓋的各認(rèn)知終端之間可用頻譜的信道狀態(tài)，獲得本基站與其所覆蓋的各認(rèn)知終端之 間可用頻譜的信道狀態(tài)信息。其中，所述終端環(huán)境認(rèn)知模塊包括終端頻譜檢測(cè)單元，用于檢測(cè)本終端處主用戶 對(duì)頻譜的使用狀況，得到本終端頻譜可用性信息；終端信道測(cè)量單元，用于測(cè)量本終端與其 他各終端之間可用頻譜的信道狀態(tài)，獲得本終端與其他各終端之間可用頻譜的信道狀態(tài)信 肩、ο本發(fā)明還提供了一種上述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方 法，該方法包括步驟Si.根據(jù)認(rèn)知基站以及各認(rèn)知終端之間的頻譜可用性信息以及可用頻譜的信道狀 態(tài)信息，分別將可用于認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)淖有诺婪峙浣o在此子信道上信道 狀態(tài)最好的認(rèn)知終端，并估算經(jīng)過此步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量；S2.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求信息，搜索尚未得到滿足其QoS需求 的吞吐量的認(rèn)知終端，按照第一設(shè)定規(guī)則，為其再分配一條信道容量足以支持該認(rèn)知終端 不足的吞吐量的傳輸?shù)淖有诺?；S3.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求，搜索在每幀前半時(shí)段即可獲得滿 足其QoS需求的吞吐量的認(rèn)知終端，釋放其在每幀后半時(shí)段所占用的所有子信道的使用 權(quán)，并估算經(jīng)過此步驟后各認(rèn)知終端的吞吐量；S4.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求以及業(yè)務(wù)完成信息，搜索尚未得到 滿足其QoS需求的吞吐量的認(rèn)知終端，按照第二設(shè)定規(guī)則為所述尚未得到滿足其QoS需求 的吞吐量的認(rèn)知終端選擇作為其中繼的認(rèn)知終端，確定中繼傳輸所使用的子信道，并估算 經(jīng)過此步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量；S5.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求以及業(yè)務(wù)完成信息，搜索仍未得到 滿足其QoS需求的吞吐量的認(rèn)知終端，按照第三設(shè)定規(guī)則，為其潛在中繼增派一條用于認(rèn) 知基站與該潛在中繼之間傳輸?shù)淖有诺?，使得該潛在中繼滿足步驟S4中的第二設(shè)定規(guī)則， 并確定該潛在中繼為本認(rèn)知終端的中繼，所述潛在中繼為與所述認(rèn)知終端之間至少存在一 條信道容量足以支持該認(rèn)知終端不足的吞吐量傳輸?shù)目捎米有诺赖恼J(rèn)知終端；S6.搜索在每幀的后半時(shí)段尚未被分配的子信道，將其分配給尚未滿足QoS需求 的認(rèn)知終端用于其與認(rèn)知基站之間的傳輸，或可使系統(tǒng)有效吞吐量增加最多的認(rèn)知終端用 于其與認(rèn)知基站之間的傳輸，估算經(jīng)過此步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量；S7.搜索在每幀的后半時(shí)段仍未被分配的子信道，將其分配給尚未滿足QoS需求 的認(rèn)知終端用于其與其它認(rèn)知終端之間的中繼傳輸，或可使系統(tǒng)有效吞吐量增加最多的認(rèn) 知終端用于其與其它認(rèn)知終端之間的中繼傳輸，估算經(jīng)過這個(gè)步驟以后各個(gè)認(rèn)知終端的吞 吐量。其中，在步驟Sl前還包括步驟Si. 1認(rèn)知基站以及當(dāng)前有任務(wù)正在進(jìn)行的各認(rèn)知終端分別確定當(dāng)前本基站處的 可用頻譜以及當(dāng)前本終端處的可用頻譜，并將檢測(cè)到的頻譜可用信息傳送至認(rèn)知信息庫；Si. 2所述認(rèn)知信息庫根據(jù)認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端的頻譜可用信息，確定可用于認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端之間直接傳輸?shù)念l譜，以及可用于各認(rèn)知終端之間中繼傳輸?shù)念l譜， 并將可用于認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間以及各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)念l譜告知認(rèn)知基站以 及各認(rèn)知終端；Si. 3認(rèn)知基站對(duì)可用于認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)念l譜進(jìn)行信道測(cè)量，并 將認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間的可用頻譜信道狀態(tài)信息傳送至認(rèn)知信息庫；各認(rèn)知終端對(duì) 可用于本認(rèn)知終端與其他認(rèn)知終端之間中繼傳輸?shù)念l譜作信道測(cè)量，并將測(cè)量的本認(rèn)知終 端與其他各認(rèn)知終端之間的可用頻譜信道狀態(tài)信息傳送至所述認(rèn)知信息庫。其中，在步驟S7之后還包括步驟S8.認(rèn)知基站的無線資源分配模塊將所述資源分配決策發(fā)送至位于認(rèn)知基站以及 各認(rèn)知終端中的重配置管理模塊；S9.所述認(rèn)知基站以及各認(rèn)知終端中的重配置管理模塊引導(dǎo)并控制各認(rèn)知終端按 照所述資源分配決策進(jìn)行重配置并實(shí)施傳輸；S10.傳輸結(jié)束后，各認(rèn)知終端實(shí)時(shí)更新終端業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊中的業(yè)務(wù)類型、QoS需 求、以及業(yè)務(wù)完成信息，并將更新的信息同步所述認(rèn)知信息庫。其中，在步驟S2中，所述再分配的子信道的原擁有者喪失對(duì)該自信道的使用權(quán)； 所述第一設(shè)定規(guī)則為使得所述原擁有者的QoS需求的吞吐量仍可滿足，且更改該子信道 分配對(duì)系統(tǒng)總吞吐量的減少影響最小。其中，在步驟S4中，被選作中繼的認(rèn)知終端在每一幀的后半段為被其協(xié)助的認(rèn)知 終端提供中繼傳輸，不再從認(rèn)知基站接收數(shù)據(jù)；所述第二設(shè)定規(guī)則為被選作中繼的認(rèn)知 終端在每幀前半時(shí)段得到的吞吐量滿足其QoS需求的吞吐量，并提供被協(xié)助的認(rèn)知終端不 足的吞吐量的傳輸?shù)恼J(rèn)知終端中；且所述被選作中繼的認(rèn)知終端與被其協(xié)助的認(rèn)知終端之 間至少存在一條信道容量足以支持被其協(xié)助的認(rèn)知終端不足的吞吐量的傳輸?shù)目捎米有?道。其中，在步驟S5中，所述第三設(shè)定規(guī)則為所述增派的子信道的原擁有者自身QoS 需求的吞吐量仍可滿足，且更改該子信道分配對(duì)系統(tǒng)總吞吐量的減少影響最小。其中，在步驟S5中，確定作為中繼傳輸所使用的子信道的信道容量足以支持所述 認(rèn)知終端不足的吞吐量的傳輸。(三)有益效果本發(fā)明的系統(tǒng)及方法以盡可能滿足用戶的QoS需求并最大化系統(tǒng)有效吞吐量為 目標(biāo)，更具有實(shí)際意義，也更符合用戶的體驗(yàn)要求。其基于系統(tǒng)的各種有用認(rèn)知信息，如用 戶業(yè)務(wù)類型和需求、頻譜可用性、信道狀況等，做出中繼及傳輸路徑選擇、頻譜分配(即子 信道分配)和傳輸速率控制等無線資源分配決策，解決了基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電 系統(tǒng)中的無線資源分配問題，能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能滿足用于的QoS需求并最大化系統(tǒng)有效吞吐 量的目標(biāo)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)頻譜利用率。


圖1為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框 圖；圖2為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)中資源分配方法總流程圖；圖3為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)中資源 分配流程時(shí)序圖；圖4為圖2中的無線資源分配決策流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)及其資源分配方法，結(jié)合附圖及 實(shí)施例詳細(xì)說明如下。如圖1所示，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括認(rèn)知基站、以及若干認(rèn)知終端。由于在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，可供使用的頻譜范圍 是動(dòng)態(tài)變化的，因此要求認(rèn)知終端具有重構(gòu)能力，使得認(rèn)知終端能夠動(dòng)態(tài)配置其工作頻率 在任意頻譜范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)式頻譜接入，在不干擾主用戶的前提下完成認(rèn)知系統(tǒng)的傳 輸，提高頻譜利用率。此外，在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中引入中繼協(xié)作傳輸以后，無線資源使用模 式可以更加靈活，可以更高效地使用可用頻譜資源并完成系統(tǒng)傳輸任務(wù)的目標(biāo)，可重配置 認(rèn)知終端有利于實(shí)現(xiàn)無線資源的靈活使用。認(rèn)知終端可以是手機(jī)、筆記本電腦、PDA、或任何通信終端。如圖1所示，認(rèn)知終端 11包括終端業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊111，用于實(shí)時(shí)更新并記錄本終端正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)狀態(tài)信息，包 括業(yè)務(wù)類型，QoS需求以及業(yè)務(wù)完成信息；終端環(huán)境認(rèn)知模塊112，用于認(rèn)知外部環(huán)境，主要包括但不僅限于外部無線環(huán)境；終端重配置管理模塊113，根據(jù)無線資源分配模塊的分配決策，執(zhí)行本終端的頻率 和工作參數(shù)的重配置與管理；認(rèn)知基站12包括基站環(huán)境認(rèn)知模塊121，用于認(rèn)知外部環(huán)境，同樣地，主要包括但不僅限于外部無 線環(huán)境；認(rèn)知信息庫122，存儲(chǔ)所述認(rèn)知基站以及各認(rèn)知終端的外部無線環(huán)境信息，以及各 認(rèn)知終端的所述業(yè)務(wù)狀態(tài)信息；無線資源分配模塊123，根據(jù)認(rèn)知信息庫存儲(chǔ)的信息周期性進(jìn)行系統(tǒng)的無線資源 分配決策，并將所述分配決策傳送至所述認(rèn)知基站以及各認(rèn)知終端；基站重配置管理模塊124，根據(jù)無線資源分配模塊的分配決策執(zhí)行本基站的頻率 和工作參數(shù)的重配置與管理。其中，終端環(huán)境認(rèn)知模塊包括終端頻譜檢測(cè)單元，用于檢測(cè)本終端處主用戶對(duì)頻譜的使用狀況，得到本終端頻 譜可用性信息；終端信道測(cè)量單元，用于測(cè)量本終端可用頻譜的信道狀態(tài)，獲得可用頻譜的信道 狀態(tài)信息?；经h(huán)境認(rèn)知模塊包括基站頻譜檢測(cè)單元，用于檢測(cè)本基站處主用戶對(duì)頻譜的使用狀況，得到本基站與 其所覆蓋的各認(rèn)知終端之間的頻譜可用性信息；
基站信道測(cè)量單元，用于測(cè)量本基站與其所覆蓋的各認(rèn)知終端之間可用頻譜的信 道狀態(tài)，獲得可用頻譜的信道狀態(tài)信息。在基于上述的中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)無線資源分配機(jī)制中，系統(tǒng)周期性 的執(zhí)行無線資源分配流程。在每一次無線資源分配流程中，系統(tǒng)都首先實(shí)時(shí)的對(duì)外部環(huán)境 的進(jìn)行認(rèn)知，然后將認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端處的認(rèn)知信息匯聚到認(rèn)知信息庫，接著無線資 源分配模塊將根據(jù)系統(tǒng)認(rèn)知信息庫中的認(rèn)知信息做出資源分配決策，最終該決策結(jié)果被發(fā) 送到認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端的重配置管理模塊，引導(dǎo)并控制認(rèn)知基站和認(rèn)知終端實(shí)施重配 置。在組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各模塊相互配合的基礎(chǔ)上，具體的流程如圖2所示S201.開始一個(gè)新的無線資源分配周期，基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知系統(tǒng)無線資源 分配是周期進(jìn)行的，周期時(shí)間長度可變。S202.認(rèn)知基站通過基站環(huán)境認(rèn)知模塊中的基站頻譜檢測(cè)單元檢測(cè)頻譜，確定當(dāng) 前在本基站處的可用頻譜，并將檢測(cè)到的頻譜可用信息傳送至認(rèn)知信息庫。S203.認(rèn)知終端通過終端業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊檢測(cè)業(yè)務(wù)狀態(tài)，若當(dāng)前有業(yè)務(wù)正在進(jìn)行，則 執(zhí)行步驟204，否則執(zhí)行步驟215，本終端退出流程。S204.認(rèn)知終端通過終端環(huán)境認(rèn)知模塊中的終端頻譜檢測(cè)單元檢測(cè)頻譜，確定當(dāng) 前在本終端處的可用頻譜。S205.認(rèn)知終端將認(rèn)知到的本地頻譜可用性信息上報(bào)到基站認(rèn)知信息庫。S206.認(rèn)知信息庫根據(jù)認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端頻譜可用性信息匯聚結(jié)果，確定可 用于認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端之間直接傳輸?shù)念l譜，以及可用于各認(rèn)知終端之間中繼傳輸?shù)?頻譜，并將可用于認(rèn)知基站與認(rèn)知終端以及各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)念l譜告知各有關(guān)終端。S207.認(rèn)知基站通過基站環(huán)境認(rèn)知模塊中的基站信道測(cè)量單元對(duì)可用于認(rèn)知基站 與各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)念l譜作信道測(cè)量，獲得可用頻譜信道狀態(tài)信息。S208.認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間的可用頻譜信道狀態(tài)信息傳送至認(rèn)知信息庫。S209.認(rèn)知終端通過終端環(huán)境認(rèn)知模塊中的終端信道測(cè)量單元對(duì)可用于本終端與 其他終端之間中繼傳輸?shù)念l譜作信道測(cè)量，獲得可用頻譜信道狀態(tài)信息。S210.認(rèn)知終端將本終端與其他各終端之間的可用頻譜信道狀態(tài)信息上報(bào)至基站 認(rèn)知信息庫。S211.認(rèn)知基站中的無線資源分配模塊從認(rèn)知信息庫中提取有用信息，包括外部 環(huán)境信息以及用戶業(yè)務(wù)信息，外部環(huán)境信息包括頻譜可用性、可用頻譜信道狀況，用戶業(yè)務(wù) 信息包括各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型和QoS需求信息，并根據(jù)所提取的外部環(huán)境與用戶業(yè)務(wù)信 息作出符合系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)的無線資源分配決策，包括中繼及傳輸路徑選擇、頻譜分配(即 子信道分配)和傳輸速率控制。S212.認(rèn)知基站中的無線資源分配模塊資源分配決策結(jié)果分別發(fā)送到位于認(rèn)知基 站和各認(rèn)知終端之中的重配置管理模塊。S213.認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端中的重配置管理模塊引導(dǎo)與控制認(rèn)知基站與各認(rèn)知 終端按照無線資源分配決策結(jié)果進(jìn)行重配置，并實(shí)施傳輸。S214.傳輸結(jié)束，認(rèn)知終端實(shí)時(shí)更新終端業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊中的業(yè)務(wù)狀態(tài)信息，如業(yè)務(wù) 是否完成、業(yè)務(wù)類型、QoS需求，并將此業(yè)務(wù)狀態(tài)信息同步到位于認(rèn)知基站中的認(rèn)知信息庫。S215.本此無線資源分配周期結(jié)束，等待下一次無線資源分配周期的開始。
圖3進(jìn)一步表明了整個(gè)無線資源分配流程中各步驟的時(shí)序以及各功能模塊之間 相互作用的關(guān)系，其中箭頭表示交互信息的流向。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，即在盡可能滿足用戶業(yè)務(wù)的QoS需求的前提下最大化系 統(tǒng)有效吞吐量，系統(tǒng)應(yīng)該高效合理的使用各種無線資源，如可用頻譜、中繼協(xié)作等進(jìn)行認(rèn)知 傳輸。首先，應(yīng)該確定哪些認(rèn)知終端可以直接與認(rèn)知基站進(jìn)行通信，哪些認(rèn)知終端需要中繼 節(jié)點(diǎn)予以協(xié)作傳輸才能獲取所需求的服務(wù)；其次，應(yīng)該為需要中繼傳輸?shù)恼J(rèn)知終端挑選合 適的某一個(gè)或多個(gè)其他用戶節(jié)點(diǎn)作為其中繼；再次，應(yīng)該為認(rèn)知基站與各個(gè)認(rèn)知終端之間 的傳輸以及各認(rèn)知終端之間的中繼傳輸分配適當(dāng)?shù)念l譜資源(在此以子信道為單位進(jìn)行 劃分)；最后，由于中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸容量是有限的，為了實(shí)現(xiàn)中繼的高效利用，應(yīng)該控制中 繼與其所協(xié)助的認(rèn)知終端之間的傳輸速率。這幾個(gè)方面都是相互關(guān)聯(lián)，并緊密結(jié)合在一起 的。因此，應(yīng)該做聯(lián)合中繼選擇、頻譜分配與速率控制。如圖4所示，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的上述基于中繼傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的 資源分配方法(即步驟S211中的無線資源分配決策流程)包括步驟Si.根據(jù)認(rèn)知基站以及各認(rèn)知終端的頻譜可用性信息以及可用頻譜信道狀態(tài)信 息，分別將可用于認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)淖有诺婪峙浣o在此子信道上信道狀態(tài) 最好的認(rèn)知終端，并估算經(jīng)過此步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量。S2.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求信息，搜索尚未得到滿足其QoS需求 的吞吐量的認(rèn)知終端，為其再分配一條額外的、信道容量足以支持其不足的吞吐量傳輸?shù)?子信道，估算經(jīng)過這個(gè)步驟以后各個(gè)用戶終端的吞吐量。被更改分配的子信道的原擁有者 則喪失對(duì)該子信道的使用權(quán)，選擇此更改分配的子信道時(shí)需遵循更改此子信道的分配不 會(huì)使得其原擁有者無法滿足QoS需求；更改此子信道的分配使系統(tǒng)總吞吐量的減少盡可能 小。S3.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求信息，搜索在每幀(此處幀的概念等 同于LTE等現(xiàn)有通信系統(tǒng)中幀的概念)前半時(shí)段即可獲得滿足其QoS需求的吞吐量的認(rèn)知 終端，釋放其在每幀后半時(shí)段所占用的所有子信道的使用權(quán)，并估算經(jīng)過此步驟后各認(rèn)知 終端的吞吐量。S4.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求信息，搜索尚未得到滿足其QoS需求 的吞吐量的認(rèn)知終端，為其選擇另外的認(rèn)知終端作為其中繼節(jié)點(diǎn)為其提供中繼傳輸。被選 作中繼節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知終端在每一幀的后半時(shí)段為被協(xié)助認(rèn)知終端提供中繼傳輸，不再從認(rèn)知 基站接收數(shù)據(jù)。選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)遵循被選作中繼節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知終端在每幀前半時(shí)段得到 的吞吐量除滿足自身QoS需求外，還足以提供其協(xié)助的終端不足的吞吐量；在被選作中繼 節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知終端與其協(xié)助的認(rèn)知終端之間至少存在一條信道容量足以支持被協(xié)助的認(rèn)知 終端不足的吞吐量傳輸?shù)目捎米有诺馈樵撋形吹玫綕M足QoS需求的吞吐量的認(rèn)知終端成 功選定中繼節(jié)點(diǎn)以后，用于中繼與該終端之間中繼傳輸?shù)淖有诺罎M足信道容量足以支持 該終端不足的吞吐量傳輸。被選定中繼與該認(rèn)知終端之間在每一幀的后半時(shí)段的中繼傳輸 的數(shù)據(jù)量為該認(rèn)知終端不足的吞吐量。估算經(jīng)過這個(gè)步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量。
S5.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求信息，搜索仍未得到滿足其QoS需求 的吞吐量的認(rèn)知終端，為其潛在中繼分配一條可用于認(rèn)知基站與該潛在中繼之間傳輸?shù)念~ 外的子信道，以使該潛在中繼滿足步驟305中提到的選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的條件。在此，該認(rèn)知終端的潛在中繼是指與該認(rèn)知終端之間至少存在一條信道容量足以支持該認(rèn)知終端不足 的吞吐量傳輸?shù)目捎米有诺赖恼J(rèn)知終端。為潛在中繼增派子信道以后，被改派子信道的原 有者則不再具有該子信道的占用權(quán)。選擇給潛在中繼增派的子信道時(shí)需遵循更改此子信 道的分配不會(huì)使得其原擁有者無法滿足QoS需求；更改此子信道的分配使系統(tǒng)總吞吐量的 減少盡可能小。為該終端的某一個(gè)潛在中繼成功增派子信道以后，此潛在中繼即被選定為 該認(rèn)知終端的中繼。用于中繼傳輸?shù)淖有诺罎M足信道容量足以支持該認(rèn)知終端不足的吞 吐量傳輸。被選定中繼與該認(rèn)知終端之間在每一幀的后半時(shí)段的中繼傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為該認(rèn) 知終端不足的吞吐量。估算經(jīng)過這個(gè)步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量。S6.搜索在每一幀的后半時(shí)段尚未被分配的子信道，將其分配給認(rèn)知基站與認(rèn)知 終端之間的傳輸，優(yōu)先將其分配給尚未滿足QoS需求的認(rèn)知終端，或者將其分配給可使系 統(tǒng)有效吞吐量增加最多的認(rèn)知終端。估算經(jīng)過這個(gè)步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量。S7.搜索在每一幀的后半時(shí)段仍未被分配的子信道，將其分配給認(rèn)知終端之間的 中繼傳輸，優(yōu)先將其分配給尚未滿足QoS需求的認(rèn)知終端，或者將其分配給可使系統(tǒng)有效 吞吐量增加最多的認(rèn)知終端。估算經(jīng)過這個(gè)步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括認(rèn)知基站、以及若干認(rèn)知終端，其特征在于，所述認(rèn)知基站包括基站環(huán)境認(rèn)知模塊，用于認(rèn)知外部環(huán)境；認(rèn)知信息庫，用于存儲(chǔ)所述認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端的外部環(huán)境信息，以及各認(rèn)知終端正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息；無線資源分配模塊，用于根據(jù)所述認(rèn)知信息庫存儲(chǔ)的信息周期性進(jìn)行系統(tǒng)的無線資源分配決策，并將所述分配決策傳送至基站重配置管理模塊以及各終端重配置管理模塊；基站重配置管理模塊，根據(jù)所述無線資源分配模塊的分配決策執(zhí)行本基站的頻率和工作參數(shù)的重配置與管理；所述認(rèn)知終端包括業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊，用于實(shí)時(shí)更新并記錄本終端正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息，該狀態(tài)信息包括業(yè)務(wù)類型，QoS需求以及業(yè)務(wù)完成信息；終端環(huán)境認(rèn)知模塊，用于認(rèn)知外部環(huán)境；終端重配置管理模塊，用于根據(jù)所述無線資源分配模塊的分配決策，執(zhí)行本終端的頻率和工作參數(shù)的重配置與管理。
2.如權(quán)利要求1所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)，其特征在于，所述基站 環(huán)境認(rèn)知模塊包括基站頻譜檢測(cè)單元，用于檢測(cè)本基站處主用戶對(duì)頻譜的使用狀況，得到本基站的頻譜 可用性信息；基站信道測(cè)量單元，用于測(cè)量本基站與其所覆蓋的各認(rèn)知終端之間可用頻譜的信道狀 態(tài)，獲得本基站與其所覆蓋的各認(rèn)知終端之間可用頻譜的信道狀態(tài)信息。
3.如權(quán)利要求1所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)，其特征在于，所述終端 環(huán)境認(rèn)知模塊包括終端頻譜檢測(cè)單元，用于檢測(cè)本終端處主用戶對(duì)頻譜的使用狀況，得到本終端頻譜可 用性信息；終端信道測(cè)量單元，用于測(cè)量本終端與其他各終端之間可用頻譜的信道狀態(tài)，獲得本 終端與其他各終端之間可用頻譜的信道狀態(tài)信息。
4.一種如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分 配方法，其特征在于，該方法包括步驟S1.根據(jù)認(rèn)知基站以及各認(rèn)知終端之間的頻譜可用性信息以及可用頻譜的信道狀態(tài)信 息，分別將可用于認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)淖有诺婪峙浣o在此子信道上信道狀態(tài) 最好的認(rèn)知終端，并估算經(jīng)過此步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量；S2.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求信息，搜索尚未得到滿足其QoS需求的吞 吐量的認(rèn)知終端，按照第一設(shè)定規(guī)則，為其再分配一條信道容量足以支持該認(rèn)知終端不足 的吞吐量的傳輸?shù)淖有诺?；S3.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求，搜索在每幀前半時(shí)段即可獲得滿足其 QoS需求的吞吐量的認(rèn)知終端，釋放其在每幀后半時(shí)段所占用的所有子信道的使用權(quán)，并估 算經(jīng)過此步驟后各認(rèn)知終端的吞吐量；S4.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求以及業(yè)務(wù)完成信息，搜索尚未得到滿足其QoS需求的吞吐量的認(rèn)知終端，按照第二設(shè)定規(guī)則為所述尚未得到滿足其QoS需求的吞 吐量的認(rèn)知終端選擇作為其中繼的認(rèn)知終端，確定中繼傳輸所使用的子信道，并估算經(jīng)過 此步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量；·55.根據(jù)各認(rèn)知終端的業(yè)務(wù)類型以及QoS需求以及業(yè)務(wù)完成信息，搜索仍未得到滿足 其QoS需求的吞吐量的認(rèn)知終端，按照第三設(shè)定規(guī)則，為其潛在中繼增派一條用于認(rèn)知基 站與該潛在中繼之間傳輸?shù)淖有诺?，使得該潛在中繼滿足步驟S4中的第二設(shè)定規(guī)則，并確 定該潛在中繼為本認(rèn)知終端的中繼，所述潛在中繼為與所述認(rèn)知終端之間至少存在一條信 道容量足以支持該認(rèn)知終端不足的吞吐量傳輸?shù)目捎米有诺赖恼J(rèn)知終端；·56.搜索在每幀的后半時(shí)段尚未被分配的子信道，將其分配給尚未滿足QoS需求的認(rèn) 知終端用于其與認(rèn)知基站之間的傳輸，或可使系統(tǒng)有效吞吐量增加最多的認(rèn)知終端用于其 與認(rèn)知基站之間的傳輸，估算經(jīng)過此步驟以后各認(rèn)知終端的吞吐量；·57.搜索在每幀的后半時(shí)段仍未被分配的子信道，將其分配給尚未滿足QoS需求的認(rèn) 知終端用于其與其它認(rèn)知終端之間的中繼傳輸，或可使系統(tǒng)有效吞吐量增加最多的認(rèn)知終 端用于其與其它認(rèn)知終端之間的中繼傳輸，估算經(jīng)過這個(gè)步驟以后各個(gè)認(rèn)知終端的吞吐 量。
5.如權(quán)利要求4所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方法，其特征 在于，在步驟Sl前還包括步驟Si. 1認(rèn)知基站以及當(dāng)前有任務(wù)正在進(jìn)行的各認(rèn)知終端分別確定當(dāng)前本基站處的可用 頻譜以及當(dāng)前本終端處的可用頻譜，并將檢測(cè)到的頻譜可用信息傳送至認(rèn)知信息庫；Si. 2所述認(rèn)知信息庫根據(jù)認(rèn)知基站和各認(rèn)知終端的頻譜可用信息，確定可用于認(rèn)知基 站和各認(rèn)知終端之間直接傳輸?shù)念l譜，以及可用于各認(rèn)知終端之間中繼傳輸?shù)念l譜，并將 可用于認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間以及各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)念l譜告知認(rèn)知基站以及各 認(rèn)知終端；Si. 3認(rèn)知基站對(duì)可用于認(rèn)知基站與各認(rèn)知終端之間傳輸?shù)念l譜進(jìn)行信道測(cè)量，并將認(rèn) 知基站與各認(rèn)知終端之間的可用頻譜信道狀態(tài)信息傳送至認(rèn)知信息庫；各認(rèn)知終端對(duì)可用 于本認(rèn)知終端與其他認(rèn)知終端之間中繼傳輸?shù)念l譜作信道測(cè)量，并將測(cè)量的本認(rèn)知終端與 其他各認(rèn)知終端之間的可用頻譜信道狀態(tài)信息傳送至所述認(rèn)知信息庫。
6.如權(quán)利要求5所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方法，其特征 在于，在步驟S7之后還包括步驟58.認(rèn)知基站的無線資源分配模塊將所述資源分配決策發(fā)送至位于認(rèn)知基站以及各認(rèn) 知終端中的重配置管理模塊；59.所述認(rèn)知基站以及各認(rèn)知終端中的重配置管理模塊引導(dǎo)并控制各認(rèn)知終端按照所 述資源分配決策進(jìn)行重配置并實(shí)施傳輸；S10.傳輸結(jié)束后，各認(rèn)知終端實(shí)時(shí)更新終端業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊中的業(yè)務(wù)類型、QoS需求、以 及業(yè)務(wù)完成信息，并將更新的信息同步所述認(rèn)知信息庫。
7.如權(quán)利要求6所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方法，其特征 在于，在步驟S2中，所述再分配的子信道的原擁有者喪失對(duì)該自信道的使用權(quán)；所述第一 設(shè)定規(guī)則為使得所述原擁有者的QoS需求的吞吐量仍可滿足，且更改該子信道分配對(duì)系 統(tǒng)總吞吐量的減少影響最小。
8.如權(quán)利要求6所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方法，其特征 在于，在步驟S4中，被選作中繼的認(rèn)知終端在每一幀的后半段為被其協(xié)助的認(rèn)知終端提供 中繼傳輸，不再從認(rèn)知基站接收數(shù)據(jù)；所述第二設(shè)定規(guī)則為被選作中繼的認(rèn)知終端在每 幀前半時(shí)段得到的吞吐量滿足其QoS需求的吞吐量，并提供被協(xié)助的認(rèn)知終端不足的吞吐 量的傳輸?shù)恼J(rèn)知終端中；且所述被選作中繼的認(rèn)知終端與被其協(xié)助的認(rèn)知終端之間至少存 在一條信道容量足以支持被其協(xié)助的認(rèn)知終端不足的吞吐量的傳輸?shù)目捎米有诺馈?br> 9.如權(quán)利要求8所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方法，其特征 在于，在步驟S5中，所述第三設(shè)定規(guī)則為所述增派的子信道的原擁有者自身QoS需求的吞 吐量仍可滿足，且更改該子信道分配對(duì)系統(tǒng)總吞吐量的減少影響最小。
10.如權(quán)利要求9所述的基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方法，其特 征在于，在步驟S5中，確定作為中繼傳輸所使用的子信道的信道容量足以支持所述認(rèn)知終 端不足的吞吐量的傳輸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)及其資源分配方法，該系統(tǒng)包括認(rèn)知基站、以及若干認(rèn)知終端，認(rèn)知基站包括基站環(huán)境認(rèn)知模塊、認(rèn)知信息庫、無線資源分配模塊、以及基站重配置管理模塊；認(rèn)知終端包括業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊、終端環(huán)境認(rèn)知模塊、以及終端重配置管理模塊。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法以盡可能滿足用戶的QoS需求并最大化系統(tǒng)有效吞吐量為目標(biāo)，更具有實(shí)際意義，也更符合用戶的體驗(yàn)要求。其基于系統(tǒng)的各種有用認(rèn)知信息做出中繼及傳輸路徑選擇、頻譜分配和傳輸速率控制等無線資源分配決策，解決了基于中繼協(xié)作傳輸?shù)恼J(rèn)知無線電系統(tǒng)中的無線資源分配問題，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)頻譜利用率。
文檔編號(hào)H04W72/08GK101895991SQ20101022634
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者何春, 馮志勇, 尹鵬, 張奇勛, 張平, 李蓉 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)