認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法，其過程包括：根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中測得的實際數(shù)據(jù)構(gòu)建并初始化認知無線電網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得到主用戶占用信道的規(guī)律，并計算網(wǎng)絡(luò)中的每一條邊的潛在干擾邊數(shù)，并從大到小排序；按照排好順序的邊依次進行信道分配，每次選擇信道時都從新的信道列表里選擇使得信道接入概率最大的那個信道接入，并在分配的過程中更新信道干擾系數(shù)；對分配好信道的信道進行連通性測試。本發(fā)明較全面了考慮了認知無線電網(wǎng)絡(luò)里的關(guān)鍵因素，對認知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道分配具有很強的針對性。
【專利說明】認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及認知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道分配方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信寬帶化趨勢日益明顯、無線業(yè)務(wù)需求不斷增長以及信號處理、半導(dǎo) 體等技術(shù)的極大提高，無線通信發(fā)展的越來越迅速。而各個國家則大都把本國可用的頻譜 資源固定分配給了授權(quán)用戶（也叫主用戶），有限的無線頻譜資源卻很大程序上限制了無 線通信的發(fā)展。認知無線電技術(shù)的出現(xiàn)可以使得處于空閑狀態(tài)的頻譜得到充分利用。利用 空閑頻譜的用戶稱為認知用戶（也叫次級用戶），認知用戶需要在不影響主用戶正常通信 的前提下方可接入授權(quán)頻譜。所以認知用戶如何在不干擾主用戶的正常通信或?qū)χ饔脩舻?干擾滿足干擾溫度限制的情況下共享頻譜資源和優(yōu)化頻譜使用的問題是提高頻譜利用效 率的關(guān)鍵。認知網(wǎng)絡(luò)中一般有多個認知用戶去競爭有限的頻譜資源，因此，合理的分配頻譜 十分重要。而認知無線電網(wǎng)絡(luò)在分配信道的時，為保證健壯的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對主用戶的干 擾和認知用戶之間的干擾的權(quán)衡是目前研究的熱點，重點和難點。
[0003] 在信道分配之前，需要確定一種網(wǎng)絡(luò)模型。認知無線電從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上可以分為集 中式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式。這與現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類相似。
[0004] 1)集中式模型通過一個融合中心協(xié)調(diào)和管理認知用戶對空閑信道的使用。融合中 心收集認知網(wǎng)絡(luò)中各個用戶的感知信息，建立可用頻譜庫，以實現(xiàn)全局優(yōu)化的信道分配。
[0005] 2)分布式模型中，認知用戶只對其周圍的主用戶信道進行檢測，通過鄰居節(jié)點進 行組網(wǎng)通信，雖然比集中式模型靈活，但是由于陰影效應(yīng)，多徑效應(yīng)，隱藏終端等問題的影 響，使得其性能受到很大的限制。
[0006] 根據(jù)認知用戶頻譜共享模型可以分為三大類：underlay、overlay、interweave (在 圖1、圖2、圖3中，PU代表主用戶，SU代表認知用戶，B1-7代表授權(quán)頻譜）：
[0007] 1) underlay頻譜共享模式
[0008] 如圖1所示，主用戶占用了 B1，B2，B3，B6，B7頻段，認知用戶占用了 B1-7頻段，但 是主用戶在占用頻段上的發(fā)射功率較高，而認知用戶在占用頻段上的發(fā)射功率較低，即在 這種模式中，認知用戶可以接入授權(quán)頻段，不管主用戶是不是在訪問當前頻段。但是前提是 要保證主用戶可以承受來自所有認知用戶引起的干擾總和。即所有認知用戶對主用戶的干 擾總和要低于某個設(shè)定的門限。在這種模式下雖然增加了認知用戶接入授權(quán)頻譜的機會， 但是缺少主用戶與認知用戶之間的交互，很難控制對主用戶的干擾。
[0009] 2) overlay頻譜共享模式
[0010] 如圖2所示，主用戶占用了價，82,83,86,87頻段，認知用戶占用了81，83,85頻 段。認知用戶即使在主用戶正在占用的頻段上也能以較高的功率傳輸數(shù)據(jù)。這種模式旨在 保護主用戶的傳輸性能，即在保證主用戶能正常進行信號傳輸?shù)那闆r下，認知用戶可以利 用該授權(quán)頻段進行自身的信號傳輸，并不限制認知用戶的發(fā)射功率。通過協(xié)商合作，當認知 用戶和主用戶達成一致的協(xié)議后，認知用戶可以充分意識到自己在團隊中的作用，并履行 其應(yīng)該擔(dān)當?shù)牧x務(wù)。因此在這種主用戶和認知用戶合作的背景下，認知的傳輸機會就不是 隨機的了。在這種模式中認知用戶通過向主用戶提供某些特殊的服務(wù)來交換傳輸自己信號 的機會。形式有租用主用戶不經(jīng)常使用的頻譜段或者是中繼主用戶的通信等等。
[0011] 3) interweave頻譜共享模式
[0012] 如圖3所示，在圖3(a)中主用戶沒有占用B6頻段，所以此時認知用戶可以占用B6 頻段；而圖3 (b)中主用戶又重新占用了 B6頻段，但是沒有B1頻段，認知用戶就從必須從B6 頻段上切換到B1頻段上。在這種模式中，主用戶擁有使用頻段的絕對優(yōu)先權(quán)。只要主用戶 還在被授權(quán)的頻段上進行信號傳輸，認知用戶就不允許接入該頻段。并且當認知用戶利用 某頻段進行信號傳遞時，一旦主用戶訪問該頻段時，認知用戶就必須立刻退出該頻段。這種 方式中，認知用戶通過機會的檢測頻譜空穴進行頻譜接入，可以有效的控制認知用戶對主 用戶的干擾。
[0013] 認知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道分配的最大挑戰(zhàn)在于系統(tǒng)本身并沒有授權(quán)頻譜，需要機會 式的接入主用戶的空閑頻譜。而往往主用戶占用信道的信息是隨機的，不確定的，這就使得 認知用戶能動態(tài)的適應(yīng)這些變化，這種方式稱為動態(tài)頻譜接入。認知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道分 配還需要考慮以下幾個方面的問題 ：
[0014] 1)認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，一般主用戶的信號發(fā)射功率和信號傳輸區(qū)域都遠大于認知 用戶，所以當主用戶突然出現(xiàn)在當前認知網(wǎng)絡(luò)正在使用的信道上時，多個認知用戶的數(shù)據(jù) 傳輸將會受到影響。
[0015] 2)認知用戶為了繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，需要嘗試其他的信道，這需要頻譜感知，發(fā)現(xiàn)鄰居 用戶和信道切換，還有認知用戶之間的信道爭用，這會產(chǎn)生很多開銷和增加數(shù)據(jù)接收的時 間延時。
[0016] 3)當一個認知用戶進行信道切換時，可能會造成他與鄰居節(jié)點沒有共同的信道， 而迫使鄰居節(jié)點也需要作出相應(yīng)的信道調(diào)整，進而可能會造成多個認知用戶的信道發(fā)生變 化。
[0017] 因此一個好的信道分配方法需要能在主用戶占用信道"不確定性"的前提下，根據(jù) 實際的用戶需求，在認知網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能（例如網(wǎng)絡(luò)的拓撲健壯性）和對主用戶產(chǎn)生的干 擾之間做出權(quán)衡。
[0018] 在文獻 Hay them, Bany and Salameh. Rate-maximization Channel Assignment Scheme for Cognitive Radio Network，in IEEE Globecom，2010.中，作者考慮到頻譜分 配和數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下讓存在競爭的認知用戶接入所有可用信道的總數(shù)據(jù)傳輸速率 最大化，形成了一個整數(shù)線性規(guī)劃問題（ILP)。其處理方法不受限于信息量，并且可應(yīng)用于 任何提供的信噪比函數(shù)，但是它的基本假設(shè)是每個認知用戶只有一個無線接口（radio)，某 一時隙只能占用一個信道，一個信道也只能分配給一個用戶。由于沒有備用信道機制，一旦 認知用戶正在占用的信道上出現(xiàn)了主用戶，為了避免對主用戶產(chǎn)生有害干擾，認知用戶就 不得不中斷數(shù)據(jù)的發(fā)送。然后搜索其他可用頻譜資源，然后進行頻譜切換。這顯然大大降 低了認知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r，并且不能減少與主用戶的碰撞概率。
[0019] 文獻 Ryan E. Irwin, Allen B. MacKenzie and Luiz A. DaSilva. Resource Minimized Channel Assignment for Multi-Transceiver Cognitive Radio Networks. IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 31, NO. 3, MARCH 2013, p 442-450.中提出了一個考慮到認知無線電網(wǎng)絡(luò)的拓撲適應(yīng)性，網(wǎng)絡(luò)流速最大化，保持網(wǎng)絡(luò) 連通的基本拓撲的信道分配方案。每個節(jié)點裝配多個radio,每個都可以被分配一個信 道，通過traffic-independent (TI)階段用最少的收發(fā)器個數(shù)得到基本的連通拓撲，結(jié)合 traffic-drivenCTD)階段形成了一個兩階段的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題（MILP)，并提出一個 集中式的貪婪算法解決該優(yōu)化問題。該方法通過多個radio以保持認知無線電網(wǎng)絡(luò)的連通 性是合理的。但是radio個數(shù)的增加會使得網(wǎng)絡(luò)的費用增加，本文并沒有考慮實際的網(wǎng)絡(luò) 效益與兩者之間的權(quán)衡。
[0020] 文獻 JING ZHAO, GU0H0NHCA0. Robust Topology Control in Muti-hop Cognitive Radio Network，Proc. IEEE Infocom，Or lando. 2012,pl_9.中定理一證明了在一個認知用 戶擁有大于等于兩個radio時，就至少存在一個可以滿足網(wǎng)絡(luò)健壯性的拓撲。該文獻分別 提出了集中式的CRTCA算法（central robust topology control algorithm)還有分布式 的DRTCA算法（distributed robust topology control algorithm)。仿真時限定了radio 的個數(shù)這兩種算法在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中很好的保證了認知網(wǎng)絡(luò)的拓撲健壯性，并且分配信 道過程中，考慮到潛在干擾邊指數(shù)，減少了信道間的同信道干擾。但是這兩種算法只考慮到 主用戶對認知網(wǎng)絡(luò)的影響，并未考慮信道分配過程中由于實際得到的信道狀態(tài)信息都是延 遲信息，認知用戶接入信道可能會對主用戶造成有害干擾。
[0021] 還有一些基于圖著色，博弈論，聚類分析等等的信道分配方案，但是大都是沒有綜 合考慮到以上各方面的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配 方法，通過對主用戶占用信道的歷史數(shù)據(jù)得到規(guī)律，在此基礎(chǔ)上具化了認知用戶之間的干 擾和對主用戶引起的干擾的數(shù)學(xué)表達式，并且保證了基本的網(wǎng)絡(luò)連通性，使得兩個認知用 戶節(jié)點間至少存在兩條路徑，并且通過改變權(quán)值參數(shù)可以適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)類型，從而得到 最優(yōu)的信道分配方案，以實現(xiàn)保證認知網(wǎng)絡(luò)的健壯拓撲條件下，使得認知用戶之間的干擾 和認知用戶對主用戶的干擾最小化，盡可能大的提高認知網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量。
[0023] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0024] 認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法包括如下步驟：
[0025] 步驟1，根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中測得的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，節(jié)點通信半徑和干擾半徑，構(gòu)建并 初始化認知無線電網(wǎng)絡(luò)；
[0026] 步驟2,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得到主用戶占用信道的規(guī)律，即主用戶占用信道時間在不同 狀態(tài)下on或off分別服從什么分布；
[0027] 步驟3,若兩個認知用戶節(jié)點間的距離小于通信半徑，則這兩個節(jié)點之間存在一條 邊，根據(jù)節(jié)點通信半徑和干擾半徑計算認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的每一條邊的潛在干擾邊數(shù)：邊 e 的潛在干擾邊數(shù)用 p (e)表示，p (e) = | {(u，v) | (u，v) e E，u or v e D (e)} |，其中 u，v 分別代表邊e的兩個認知用戶節(jié)點，E是邊集合，D(e) = D(u) U D(v)，D(u)代表節(jié)點u的 干擾區(qū)域，D(v)代表節(jié)點v的干擾區(qū)域；p(e)就代表在邊e的干擾范圍內(nèi)共有多少條邊； 然后按照干擾邊數(shù)從大到小的順序?qū)吪判颍纬尚碌倪吋?br> [0028] 步驟4,按照排好順序的邊依次進行信道分配，每次選擇信道時都從信道列表里選 擇令信道接入概率最大的信道接入，并在分配的過程中更新信道干擾系數(shù)；
[0029] 步驟5,然后對分配好信道的邊進行連通性測試，判斷除了該信道外，是否存在其 他不包含該信道但是已經(jīng)分配好信道的邊存在于兩節(jié)點之間，如果有，就代表該邊分配信 道成功，并將該邊從邊集中刪除；若沒有，則再分配一次，直至該邊分配信道成功。
[0030] 需要說明的是，步驟4中，定義信道i的接入概率如下：
[0031] Access! = a Uj (I-a ) (1-氏）；
[0032] 其中，α為信道接入?yún)?shù)辦為信道i的可利用率，是信道i空閑狀態(tài)平均持續(xù)時 間和信道i空閑狀態(tài)平均持續(xù)時間與信道i繁忙狀態(tài)平均持續(xù)時間之和的比值 ；氏為認知 用戶信道干擾系數(shù)。
[0033] 需要進一步說明的是，所述信道i的可利用率A定義如下：
[0034] 每個信道處于空閑狀態(tài)和繁忙狀態(tài)的時間分別服從參數(shù)為λ i和μ i的指數(shù)分布， 則信道i空閑狀態(tài)的分布函數(shù)為：
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步 驟： 步驟1，根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中測得的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，節(jié)點通信半徑和干擾半徑，構(gòu)建并初始 化認知無線電網(wǎng)絡(luò)； 步驟2,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得到主用戶占用信道的規(guī)律，即主用戶占用信道時間在不同狀態(tài) 下on或off分別服從什么分布； 步驟3,若兩個認知用戶節(jié)點間的距離小于通信半徑，則這兩個節(jié)點之間存在一條邊， 根據(jù)節(jié)點通信半徑和干擾半徑計算認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的每一條邊的潛在干擾邊數(shù)：邊e的 潛在干擾邊數(shù)用 P (e)表示，p (e) = I {(u，v) I (u，v) e E，u or v e D (e)} I，其中 u，v 分別 代表邊的兩個認知用戶節(jié)點，E是邊集合，D(e) =D(u) U D(v)，D(u)代表節(jié)點u的干擾區(qū) 域，D(v)代表節(jié)點v的干擾區(qū)域；p(e)就代表在邊e的干擾范圍內(nèi)共有多少條邊；然后按 照干擾邊數(shù)從大到小的順序?qū)吪判?，形成新的邊集? 步驟4,按照排好順序的邊依次進行信道分配，每次選擇信道時都從信道列表里選擇令 信道接入概率最大的信道接入，并在分配的過程中更新信道干擾系數(shù)； 步驟5,然后對分配好信道的邊進行連通性測試，判斷除了該信道外，是否存在其他不 包含該信道但是已經(jīng)分配好信道的邊存在于兩節(jié)點之間，如果有，就代表該邊分配信道成 功，并將該邊從邊集中刪除；若沒有，則再分配一次，直至該邊分配信道成功。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法，其特征在 于，步驟4中，定義信道i的接入概率如下： AccesSi= aUi+Q-cOQ-Ri); 其中，a為信道接入?yún)?shù)吼為信道i的可利用率，是信道i空閑狀態(tài)平均持續(xù)時間和 信道i空閑狀態(tài)平均持續(xù)時間與信道i繁忙狀態(tài)平均持續(xù)時間之和的比值；Ri為認知用戶 信道干擾系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法，所述信道i 的可利用率仏定義如下： 每個信道處于空閑狀態(tài)和繁忙狀態(tài)的時間分別服從參數(shù)為λ μ i的指數(shù)分布，則信 道i空閑狀態(tài)的分布函數(shù)為：
信道i繁忙狀態(tài)的分布函數(shù)為：
信道i的空閑狀態(tài)平均持續(xù)時間為：
信道i的繁忙狀態(tài)平均持續(xù)時間為：
Ui是信道i空閑狀態(tài)平均持續(xù)時間和信道i空閑狀態(tài)平均持續(xù)時間與信道i繁忙狀態(tài) 平均持續(xù)時間之和的比值，則有：
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法，其特征在 于，定義認知用戶信道干擾系數(shù)氏如下： 記當前信道集合為C，Ii(e，e')表示邊e、e'是否同時占用了信道i，當且僅當邊e、 V在相互干擾的范圍內(nèi)，并且同時被分配了相同信道i時，Me，^ )= 1，其它情況下， IJe，e，）= 0，有：
所述認知用戶信道干擾系數(shù)Ri隨著信道分配的進行，不斷進行更新，對Vi e C ,初始值 Ri = 0。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一種改進的信道分配方法，其特征在 于，步驟4中，每對一條邊選擇信道并接入后，為了降低同信道干擾，需要把已經(jīng)分配過的 信道從信道列表中刪除，對下一條邊分配信道時將從更新之后的信道列表中選擇信道。
【文檔編號】H04W16/14GK104219679SQ201410457102
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】齊小剛, 葉明杰, 鄭耿忠, 劉立芳, 馮海林, 楊國平 申請人:西安電子科技大學(xué), 韓山師范學(xué)院