專利名稱：基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)中的認(rèn)知無線電領(lǐng)域，具體講是認(rèn)知無線電合作頻譜感知中的一種感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通信業(yè)務(wù)種類的快速增長(zhǎng)，對(duì)無線頻譜資源的需求也呈指數(shù)增長(zhǎng)，使得未來無線通信中的頻譜資源“匱乏”問題日益突出。認(rèn)知無線電技術(shù)在保證授權(quán)用戶服務(wù)質(zhì)量的條件下以“伺機(jī)接入”的方式利用授權(quán)用戶的空閑頻段，大大提高了頻譜的使用效率， 是解決“頻譜匱乏”問題的有效方法。頻譜感知技術(shù)被用來有效檢測(cè)當(dāng)前授權(quán)用戶的工作狀態(tài)，以尋找頻譜機(jī)遇和避免對(duì)授權(quán)用戶的干擾，因此有效的頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電存在的前提和基礎(chǔ)。認(rèn)知用戶的頻譜感知性能極易受到無線信道中陰影效應(yīng)與多徑衰落的影響而惡化，為了解決這個(gè)問題，人們提出了多認(rèn)知用戶合作頻譜感知的方法。如

圖1所示，在802. 22標(biāo)準(zhǔn)中提出的周期感知框架中，一個(gè)感知周期由一個(gè)感知時(shí)隙和一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙組成。因此在當(dāng)前合作頻譜感知技術(shù)的研究中，不僅僅包括可靠的感知算法研究，還包括各種感知參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是感知時(shí)隙長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。增加感知時(shí)隙長(zhǎng)度雖然可以有效提高認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)合作頻譜感知的性能，減少頻譜機(jī)遇的損失以及對(duì)授權(quán)用戶的干擾，但是在給定感知周期長(zhǎng)度的條件下，感知時(shí)隙長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在感知周期中用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間減少，進(jìn)而使得認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率下降，因此應(yīng)該對(duì)每一個(gè)感知周期中的感知時(shí)隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化配置，即在感知性能與系統(tǒng)傳輸效率之間對(duì)感知時(shí)隙長(zhǎng)度的大小進(jìn)行折中。當(dāng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)感知周期可以合作感知多個(gè)授權(quán)信道時(shí)，感知時(shí)隙長(zhǎng)度由認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的感知信道集合和分配給該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間共同決定，因此改變感知信道集合中的授權(quán)信道數(shù)目或改變分配給該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間均會(huì)對(duì)感知時(shí)隙長(zhǎng)度造成影響。因此在多授權(quán)信道條件下，我們需要聯(lián)合考慮認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的感知信道集合和分配給該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間， 進(jìn)而對(duì)感知時(shí)隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化配置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)多授權(quán)信道條件下，需要聯(lián)合考慮認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的感知信道集合和分配給該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間，進(jìn)而對(duì)感知時(shí)隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化配置的問題；提出了一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，以解決在多認(rèn)知用戶合作感知多授權(quán)信道條件下的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是—種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，包括下列步驟(a)、在每一個(gè)感知周期T的感知時(shí)隙τ的開始，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站在13時(shí)
間內(nèi)把當(dāng)前感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的最優(yōu)感知信道集合以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間p/j即上一個(gè)感知周期所得到的下一個(gè)感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需
要合作感知的最優(yōu)感知信道集合Ρλ/；(以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間發(fā)送給認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)認(rèn)知用戶m ；(b)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)認(rèn)知用戶m在接下來的τ s時(shí)間里對(duì)最優(yōu)感知信道集合里的各個(gè)授權(quán)信道進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，得到各自的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量jT Jm表示認(rèn)知用戶m在授權(quán)信道i上的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；(C)、各個(gè)認(rèn)知用戶m在接下來的τ b時(shí)間里把各自的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量發(fā)送到認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的中心基站，中心基站進(jìn)行數(shù)據(jù)融合判決，得到融合判決結(jié)果，中心基站利用τ。時(shí)間把最終的融合判決結(jié)果發(fā)送給各個(gè)認(rèn)知用戶m ；(d)、在每一個(gè)感知周期T的感知時(shí)隙τ結(jié)束后，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站根據(jù)歷史感知信息(歷史感知信息為當(dāng)前感知周期之前所有周期的感知信息)和當(dāng)前感知周期的感知結(jié)果即步驟(c)中得到的融合判決結(jié)果，利用該感知周期T剩余的時(shí)間即數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙 τ，= T- τ，估計(jì)下一個(gè)感知周期各個(gè)授權(quán)信道i的可用概率，其中τ = τ a+ τ s+ τ b+ τ。；(e)、求解下一個(gè)感知周期各個(gè)授權(quán)信道的C,W)，C,W)表示當(dāng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)感知周期僅合作感知授權(quán)信道i時(shí)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量；(f)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站以步驟(e)得到的最大化認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)最大吞吐量 C,W)為目標(biāo)，根據(jù)步驟(d)估計(jì)得到的下一個(gè)感知周期各個(gè)授權(quán)信道i的可用概率，選擇下一個(gè)感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的最優(yōu)感知信道集合I吟”以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間p/j，并把該結(jié)果在下一個(gè)感知周期的初始時(shí)刻發(fā)送給各個(gè)認(rèn)知用戶。本發(fā)明的步驟b中，各認(rèn)知用戶m采取能量檢測(cè)法對(duì)最優(yōu)感知信道集合里的
各個(gè)授權(quán)信道i進(jìn)行本地頻譜感知，得到各自的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，具體方法如下設(shè)k時(shí)刻時(shí)認(rèn)知用戶m在授權(quán)信道i上的接收信號(hào)為H0.x:(k) = v:(k)H1 χ {k) = h Si {k) + ν: (k)其中Htl表示授權(quán)信道為“空閑”狀態(tài)，H1表示授權(quán)信道為“占用”狀態(tài)；式中Si(k)是授權(quán)用戶(授權(quán)用戶是指被法定授權(quán)使用授權(quán)信道的用戶，例如電視發(fā)射塔相對(duì)于電視頻段來說就是授權(quán)用戶)在授權(quán)信道i上的發(fā)送信號(hào)，<⑷是認(rèn)知用戶m在授權(quán)信道i上的接收信號(hào)，<⑷為認(rèn)知用戶m在授權(quán)信道i上的加性高斯白噪聲，hi 是授權(quán)信道i上的信道增益，認(rèn)知用戶m在授權(quán)信道i上的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量可以表示為
1 N「\2r =^7Z N"⑷ I其中，Ni = τ足為各認(rèn)知用戶在授權(quán)信道i上的抽樣點(diǎn)數(shù)，fs為抽樣速率。本發(fā)明的步驟c中的數(shù)據(jù)融合方法為等增益合并的軟信息融合方法或加權(quán)融合方法，其中當(dāng)采用等增益合并的軟信息融合方法時(shí)，授權(quán)信道i在中心基站的最終判決統(tǒng)計(jì)量1為
權(quán)利要求
1.一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，包括下列步驟(a)、在每一個(gè)感知周期T的感知時(shí)隙τ的開始，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站在Ta時(shí)間內(nèi)把當(dāng)前感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的最優(yōu)感知信道集合以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間p/j即上一個(gè)感知周期所得到的下一個(gè)感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的最優(yōu)感知信道集合以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間|4，發(fā)送給認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)認(rèn)知用戶m ；(b)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)認(rèn)知用戶m在接下來的τs時(shí)間里對(duì)最優(yōu)感知信道集合里的各個(gè)授權(quán)信道進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，得到各自的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量iT J 表示認(rèn)知用戶m在授權(quán)信道i上的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；(c)、各個(gè)認(rèn)知用戶m在接下來的τb時(shí)間里把各自的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量JT發(fā)送到認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站，中心基站進(jìn)行數(shù)據(jù)融合判決，得到融合判決結(jié)果，中心基站利用τ。時(shí)間把最終的融合判決結(jié)果發(fā)送給各個(gè)認(rèn)知用戶m ；(d)、在每一個(gè)感知周期T的感知時(shí)隙τ結(jié)束后，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站根據(jù)歷史感知信息和當(dāng)前感知周期的感知結(jié)果即步驟c中得到的融合判決結(jié)果，利用該感知周期T剩余的時(shí)間即數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙τ ’ = T- τ，估計(jì)下一個(gè)感知周期各個(gè)授權(quán)信道i的可用概率，其中τ = τ + τ + τ,+ τ a s b c (e)、求解下一個(gè)感知周期各個(gè)授權(quán)信道的C,W)，C,W)表示當(dāng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)感知周期僅合作感知授權(quán)信道i時(shí)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量；(f)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站以步驟e得到的最大化認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)最大吞吐量C,W)為目標(biāo)，根據(jù)步驟d估計(jì)得到的下一個(gè)感知周期各個(gè)授權(quán)信道i的可用概率，選擇下一個(gè)感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的最優(yōu)感知信道集合以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間p/j，并把該結(jié)果在下一個(gè)感知周期的初始時(shí)刻發(fā)送給各個(gè)認(rèn)知用戶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，在步驟b中，各認(rèn)知用戶m采取能量檢測(cè)法對(duì)最優(yōu)感知信道集合fd/j里的各個(gè)授權(quán)信道i進(jìn)行本地頻譜感知，得到各自的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，具體方法如下設(shè)k時(shí)刻時(shí)認(rèn)知用戶m在授權(quán)信道i上的接收信號(hào)為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟c中的數(shù)據(jù)融合方法為等增益合并的軟信息融合方法或加權(quán)融合方法， 其中當(dāng)采用等增益合并的軟信息融合方法時(shí)，授權(quán)信道i在中心基站的最終判決統(tǒng)計(jì)量Yi為ΣΜ ym w=l iYi=-MM為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知用戶數(shù)目；把授權(quán)信道i的最終判決統(tǒng)計(jì)量Yi與它的判決門限ε i比較即可得到授權(quán)信道i的最終的判決結(jié)果 { > \ H1 [Y^si H。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟d中授權(quán)信道i可用概率的估計(jì)方法如下如果授權(quán)信道i在任意兩個(gè)感知周期I1U2中，如果感知周期I1被感知為“空閑”狀態(tài)， 并且它在感知周期I1至感知周期I2這段時(shí)間內(nèi)沒有被感知，則在感知周期I2它的狀態(tài)為 H0 “空閑”的概率為P1(H0) = P人H0IY1 < S1)^ ((I2-h)T) + (I-Pl(H0ZY^sl))Piis((I2-Il)T)同理，如果授權(quán)信道i在感知周期I1被感知為“占用”狀態(tài)，并且它在感知周期I1至感知周期I2這段時(shí)間內(nèi)沒有被感知，則在感知周期I2它的狀態(tài)為Htl “空閑”的概率為 P1(H0) = P1 (H, IY1 > S^ ((I1 -Z1F) +(Ι-Ρ^Η,ΙΥ^ε^Ρ^-Ι^Τ)其中PiOViYi < ε J為授權(quán)信道i在當(dāng)前感知周期被感知為“空閑”狀態(tài)的條件下，該授權(quán)信道實(shí)際狀態(tài)為“空閑”的后驗(yàn)概率，Pi (HcAi > ε J為授權(quán)信道i在當(dāng)前感知周期被感知為“占用，，狀態(tài)的條件下，該授權(quán)信道實(shí)際狀態(tài)為“占用，，的條件概率，由貝葉斯理論可知，P1(Y1Ke1ZH0)_ I-Pf^riySl)P1(H0ZY1Ke1) = P1(HlIY^e1) =W1 < ε,/H0)+ P1IY1K ε,/H1) I-Pth +I-Pf^ei) P1(Y^e1ZHl)_ PthW, > /H1) +W, > s,/H0) Pth +Pu(Tl^l) 其中Pth為各個(gè)授權(quán)信道必須滿足的檢測(cè)概率最小值。巧β(0為從授權(quán)用戶開始使用授權(quán)信道i的時(shí)刻開始算起，t時(shí)刻時(shí)授權(quán)信道i的狀態(tài)由“占用”轉(zhuǎn)為“空閑”的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，4(0為從授權(quán)用戶停止使用授權(quán)信道i的時(shí)刻開始算起，t時(shí)刻時(shí)授權(quán)信道i的狀態(tài)仍為“空閑”狀態(tài)的概率，它們可由下式得到p^ = Ijr^dt其中ΛΜ(0//‘ω為授權(quán)信道i在占用/空閑狀態(tài)上的駐留時(shí)間的概率密度函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，步驟e中各個(gè)授權(quán)信道的C, W)可以利用給定感知信道集合條件下認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量求解方法求解。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟e中，選擇下一個(gè)感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要合作感知的最優(yōu)感知信道集合Ht丨以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間卜；丨的具體實(shí)現(xiàn)方法如下1)把所有授權(quán)信道的最大吞吐量C,W)按從大到小進(jìn)行排隊(duì)，得到矢量I;2)從η= 1開始按照η從小到大的順序迭代搜索最優(yōu)目標(biāo)值，在每一次迭代過程中，選擇矢量I中前η個(gè)授權(quán)信道作為當(dāng)感知信道數(shù)目為η時(shí)的感知信道集合；3)利用給定感知信道集合條件下認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量求解方法計(jì)算與該感知信道集合相對(duì)應(yīng)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量，并記錄該目標(biāo)值；當(dāng)η = I時(shí)，迭代過程結(jié)束，此時(shí)得到I個(gè)目標(biāo)值，其中與最大的目標(biāo)值相對(duì)應(yīng)的感知信道集合以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間即為最優(yōu)的感知信道集合以及該集合中各個(gè)授權(quán)信道的感知時(shí)間p/j。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，感知周期T=感知時(shí)隙τ +數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙τ’。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，其特征在于，感知時(shí)隙 τ = τ a+ τ s+ τ b+ τ。，且(τ a+ τ b+ τ。)< τ s。
全文摘要
一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率估計(jì)的感知時(shí)隙長(zhǎng)度優(yōu)化方法，包括步驟在感知周期感知時(shí)隙的開始，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中心基站在τa時(shí)間內(nèi)把需要合作感知的感知信道集合以及集合中各授權(quán)信道的感知時(shí)間發(fā)送給認(rèn)知用戶；認(rèn)知用戶在τs時(shí)間里對(duì)授權(quán)信道進(jìn)行合作感知，并在τb的時(shí)間里把感知結(jié)果發(fā)送到基站；基站對(duì)感知結(jié)果進(jìn)行融合，并在τc時(shí)間里把融合結(jié)果發(fā)送給認(rèn)知用戶；在感知時(shí)隙結(jié)束后，基站利用剩余的T-τ時(shí)間估計(jì)下一感知周期各授權(quán)信道的可用概率，并選擇下一感知周期認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需合作感知的信道集合以及集合中各授權(quán)信道的感知時(shí)間，并在下一感知周期初始時(shí)刻發(fā)送給認(rèn)知用戶。本發(fā)明能夠優(yōu)化認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)感知周期的感知時(shí)隙長(zhǎng)度，提高系統(tǒng)吞吐量。
文檔編號(hào)H04W72/14GK102256286SQ201110116190
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者吳啟暉, 宋緋, 張曉 , 張玉明, 王金龍 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)