基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法，包括三個階段，計算階段：認(rèn)知開啟用戶計算其通信數(shù)并且獲取在其通信半徑范圍內(nèi)的其他認(rèn)知開啟用戶的通信數(shù)；選擇階段：認(rèn)知開啟用戶對其及其通信半徑范圍內(nèi)的其他認(rèn)知開啟用戶根據(jù)通信數(shù)進行降序排列，形成一個有序集合，并在有序集合中選擇一個候選感知用戶；驗證階段：驗證所選的候選感知用戶是否能滿足感知信息的實時性。本發(fā)明有效的減少了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的次級用戶的設(shè)備花費，降低了次級用戶設(shè)備的復(fù)雜度及次級用戶進行頻譜感知時的能量消耗，并且考慮了頻譜感知信息的實時性問題。
【專利說明】基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地本發(fā)明涉及一種基于次級用戶頻譜需求 的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法，在認(rèn)知無線電用戶中選擇部分次級用戶作為感知用戶 進行頻譜感知。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新的無線電設(shè)備及應(yīng)用的迅速部署，非授權(quán)頻段上的通信越來越擁擠。然而， 由于固定的頻譜分配政策，很大一部分授權(quán)頻譜是未被利用的。授權(quán)頻譜資源的低效利用 以及非授權(quán)頻譜的通信擁擠促使了頻譜監(jiān)管機構(gòu)重新審視他們的頻譜分配政策，并且開始 尋求一種創(chuàng)新型的解決方案。認(rèn)知無線電概念的提出就是為了解決這一頻譜利用效率問 題。認(rèn)知無線電模塊具有認(rèn)知能力和重構(gòu)能力。認(rèn)知能力即感知和收集其周圍環(huán)境信息的 能力。周圍環(huán)境信息包括：傳輸頻率，傳輸功率，調(diào)制方式等等。重構(gòu)能力即根據(jù)感知到的 環(huán)境信息迅速的調(diào)整自身參數(shù)，以便獲得最佳的性能。由于認(rèn)知無線電技術(shù)能夠解決頻譜 利用效率問題，提升無線網(wǎng)絡(luò)的通信性能。因此，近些年認(rèn)知無線電技術(shù)得到了越來越多的 學(xué)者的關(guān)注。認(rèn)知無線電模塊的認(rèn)知能力要求認(rèn)知無線電模塊具有頻譜感知能力。認(rèn)知無 線電通過頻譜感知可以觀察到其周圍環(huán)境信息。因此，為了獲得有效率的頻譜利用率，頻譜 感知是至關(guān)重要的第一步。
[0003] 目前針對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知的相關(guān)研宄文獻如下：
[0004] 1 ? Dong-Jun Lee 在 2014 年的《IEEE Transact ions on Wire 1 ess Communications》上發(fā)表的文章"Adaptive Random Access for Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks"中提出了一種利用隨機存取方法的自適應(yīng)合作 頻譜感知機制。在此機制中，隨機存取用于在收集階段進行次級用戶感知數(shù)據(jù)的收集，收集 階段的時間長度由收集到的數(shù)據(jù)自適應(yīng)的決定。因此，解決了收集感知數(shù)據(jù)時的時隙管理 的復(fù)雜性。
[0005] 2. Wha Sook Jeon 等人在 2014 年的《IEEE Transactions on Vehicular Technology〉〉上發(fā)表的文章" Optimal Sensing Strategy against Collision with Primary User in Cognitive Radio System"中提出了一種可以有效的應(yīng)用于認(rèn)知無線電 節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸框架的感知策略。這一感知策略考慮到了由于主用戶的再次出現(xiàn)導(dǎo)致的傳輸 錯誤問題。利用這一感知策略進行頻譜感知，認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以很好的保護主用戶的正 常傳輸，并且可以獲得高的吞吐量。
[0006] 3. Shuang Li 等人在 2014 年的《IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING》上發(fā)表 的文章"Maximizing System Throughput by Cooperative Sensing in Cognitive Radio Networks"中提出了一種基于貝葉斯決策準(zhǔn)則的算法。這一算法研宄了如何在主用戶吞吐 量作為限制條件下最大化系統(tǒng)吞吐量的感知決策問題。并且研宄了在主用戶吞吐量和感知 時間花費共同限制的環(huán)境下這一更為普遍的問題。
[0007] 4. Qunwei Li 等人在 2014 年的《IEEE Transactions on Vehicular Technology》 上發(fā)表的文章"A Novel Sequential Spectrum Sensing Method in Cognitive Radio Using Suprathreshold Stochastic Resonance"中提出了一種新的基于超門限隨機諧振 的序列頻譜感知機制。這一機制減小了單個感知節(jié)點的平均采樣數(shù)，顯著減小了檢測主用 戶信號所需的時間，對認(rèn)知無線電頻譜感知的可靠性做出了重要的貢獻。
[0008] 5. Jules M.Moualeu 等人在 2014 年的《IEEE ICC 2014》上發(fā)表的文 章 "Energy-efficient Cooperative Spectrum Sensing and Transmission in Multi-channel Cognitive Radio Networks"中提出了一種分布式的合作式頻譜感知算 法。這一算法將感知問題建立成了一個聯(lián)盟博弈。次級用戶們形成一個聯(lián)盟，在不同的感 知時間感知一個特定的信道。聯(lián)盟的head決定信道是否是空閑的。如果信道是空閑的，那 么聯(lián)盟的head可以在數(shù)據(jù)傳輸時隙通過合作機制來傳輸它的數(shù)據(jù)包。這個分布式的合作 式頻譜感知與對應(yīng)的非合作相比大大地增加了平均吞吐量。
[0009] 綜上所述，雖然頻譜感知研宄取得了很大的進展并且可以獲得越來越好的性能， 但還存在一些問題有待與進一步研宄：
[0010] 1.大部分文章都認(rèn)為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中所有的次級用戶都裝有認(rèn)知無線電模塊。 然而，次級用戶安裝認(rèn)知無線電模塊，必然會給次級用戶帶來很大的設(shè)備花費，并且很大程 度上增加了設(shè)備的復(fù)雜性。從頻譜需求的角度考慮，并不是所有次級用戶都有意愿去安裝 認(rèn)知無線電模塊。
[0011] 2.大部分文章都認(rèn)為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中所有的次級用戶都進行頻譜感知。然而， 次級用戶進行頻譜感知必然會消耗大量的能量。因此，并不是所有的次級用戶都有意愿進 行頻譜感知。
[0012] 3.數(shù)據(jù)包是有生存時間的。數(shù)據(jù)包在其生存時間內(nèi)是有效的。若數(shù)據(jù)包的傳輸時 間超出了其生存時間，那么數(shù)據(jù)包將沒有任何效用。因此，在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次級用戶 感知到的周圍環(huán)境信息必須在信息有效的生存時間內(nèi)傳輸?shù)狡淠康墓?jié)點。因此，必須在設(shè) 計頻譜感知方法時考慮到頻譜感知信息的實時性。大部分文章，都沒有考慮信息的實時性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是為了解決目前認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中安裝認(rèn)知無線電模塊所帶來的 巨大設(shè)備花費，進行頻譜感知所帶來的能量耗損，以及感知信息的實時性等問題。本發(fā)明提 出了一種基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法，此方法可以有效的減 小認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備花費，可以減少不必要的能量耗損，并且認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的 次級用戶可以實時的獲取所需的頻譜感知信息，以便在不干擾主用戶正常通信的情況下， 使用暫時未被主用戶使用的授權(quán)頻譜。
[0014] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供了分布式的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電 網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法。
[0015] 首先本發(fā)明所使用的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括 兩類實體，分別為主用戶和次級用戶。次級用戶又包括兩類用戶即認(rèn)知無線電用戶和非認(rèn) 知無線電用戶。認(rèn)知無線電用戶即裝有認(rèn)知無線電模塊的次級用戶。非認(rèn)知無線電用戶即 未裝有認(rèn)知無線電模塊的次級用戶。認(rèn)知無線電模塊具有認(rèn)知能力和重構(gòu)能力。認(rèn)知無線 電模塊的認(rèn)知能力能夠使得認(rèn)知無線電用戶感知到傳輸?shù)牟ㄐ?，無線電頻譜，通信網(wǎng)絡(luò)類 型，通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，地理信息，當(dāng)?shù)乜衫玫馁Y源和服務(wù)，用戶需求，安全政策等信息。認(rèn)知 無線電用戶從無線電環(huán)境中感知并收集到他們所需的信息后，可以根據(jù)感知到的環(huán)境信息 的變化來動態(tài)的調(diào)整他們的傳輸參數(shù)以便獲得最佳的通信性能。認(rèn)知無線電用戶又可分為 認(rèn)知開啟用戶和認(rèn)知關(guān)閉用戶。認(rèn)知開啟用戶即開啟認(rèn)知無線電模塊的認(rèn)知無線電用戶。 認(rèn)知關(guān)閉用戶即未開啟認(rèn)知無線電模塊的認(rèn)知無線電用戶。認(rèn)知開啟用戶又可以分為兩 類：感知用戶和非感知用戶。感知用戶即進行信息感知的認(rèn)知開啟用戶。非感知用戶即不 進行信息感知的認(rèn)知開啟用戶。
[0016] 為了盡量減少次級用戶進行頻譜感知所消耗的能量并且保證頻譜感知信息的實 時性，本發(fā)明在認(rèn)知開啟用戶中選擇最少的感知用戶來進行頻譜感知，被選擇的感知用戶 需要能夠保證所有認(rèn)知開啟用戶都能夠?qū)崟r的得到他們所需的頻譜信息。
[0017] 我們將最少的感知用戶選擇問題建立成在能量有效性與信息實時性的限制條件 下的非線性規(guī)劃問題。其數(shù)學(xué)表達式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法，其特征在于：將無 線電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)分為主用戶和次級用戶，主用戶為授權(quán)頻譜的持有者；次級用戶根據(jù) 是否裝有認(rèn)知無線電模塊分為認(rèn)知無線電用戶和非認(rèn)知無線電用戶；認(rèn)知無線電用戶又可 根據(jù)是否開啟認(rèn)知無線電模塊分為認(rèn)知開啟用戶和認(rèn)知關(guān)閉用戶；認(rèn)知開啟用戶根據(jù)是否 進行頻譜感知分為感知用戶和非感知用戶； 包括以下步驟： (1) 將最少的感知用戶選擇問題建立成非線性規(guī)劃問題； (2) 用分布式的啟發(fā)算法在基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中選擇最少的感 知用戶進行頻譜感知。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法， 其特征在于：所述的非線性規(guī)劃問題，包括以下內(nèi)容： (2-1)目標(biāo)函數(shù)：最小化認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的感知用戶的個數(shù)； (2-2)限制條件1 :保證在每個非感知用戶的通信半徑范圍內(nèi)都至少有一個感知用戶； (2-3)限制條件2 :保證感知用戶必須在頻譜信息有效的時間內(nèi)將感知到的頻譜信息 傳遞給非感知用戶。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法， 其特征在于：所述的啟發(fā)式算法包括以下步驟： (3-1)計算階段：認(rèn)知開啟用戶計算其通信數(shù)并獲取其通信半徑范圍內(nèi)的其他認(rèn)知開 啟用戶的通信數(shù)； (3-2)選擇階段：認(rèn)知開啟用戶根據(jù)通信數(shù)選擇候選感知用戶； (3-3)驗證階段：驗證所選的候選感知用戶能否滿足頻譜感知信息的實時性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法， 其特征在于：所述選擇階段進行候選感知用戶選擇的具體步驟為： (4-1)認(rèn)知開啟用戶對其及其通信半徑范圍內(nèi)的其他認(rèn)知開啟用戶根據(jù)通信數(shù)進行降 序排列，形成一個有序集合； (4-2)選擇有序集合中的第一個認(rèn)知開啟用戶作為候選感知用戶。
5. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法， 其特征在于：所述步驟（4-1)中在有序集合形成過程中，若是認(rèn)知開啟用戶及其通信半徑 范圍內(nèi)的其他認(rèn)知用戶具有相同通信數(shù)的情況，選擇將感知信息傳輸?shù)狡渫ㄐ虐霃椒秶鷥?nèi) 的其他認(rèn)知開啟用戶所花費時間最小的認(rèn)知開始用戶參與排序。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法， 其特征在于：所述認(rèn)知開啟用戶將其感知到的信息傳輸?shù)狡渫ㄐ虐霃椒秶鷥?nèi)的其他認(rèn)知開
其中為認(rèn)知開啟用戶的可利用空閑授權(quán)頻譜帶寬；\為認(rèn)知開啟用戶i及其通信半 徑范圍內(nèi)的其他認(rèn)知開啟用戶組成的集合；Wu為認(rèn)知開啟用戶i和認(rèn)知開啟用戶j之間進 行數(shù)據(jù)傳輸所使用的帶寬；du為認(rèn)知開啟用戶i和認(rèn)知開啟用戶j之間的距離；Pu為認(rèn)知 開啟用戶i向認(rèn)知開啟用戶j發(fā)送數(shù)據(jù)時所使用的發(fā)射功率；Ntl為噪聲功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于次級用戶頻譜需求的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法， 其特征在于：所述驗證階段的具體步驟為：
(7-2)此候選感知用戶被選為感知用戶，感知周圍無線電環(huán)境信息，并將感知到的信息 傳遞給它通信半徑范圍內(nèi)的其他認(rèn)知開啟用戶；此感知用戶通信范圍內(nèi)的其他認(rèn)知開啟用 戶為非感知用戶并且不再進行感知用戶選擇過程； (7-3)將此候選感知用戶從有序集中刪除，刪除后判定有序集合是否為空；若為空，則 轉(zhuǎn)入步驟（7-4);若非空，則進入選擇階段的步驟（7-2)再次選擇一個候選感知用戶，之后 再進入驗證階段，對候選感知用戶進行驗證； (7-4)將此認(rèn)知開啟用戶自身作為感知用戶，進行信息感知。
【文檔編號】H04B17/382GK104506261SQ201410779146
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】韓光潔, 李傲寒 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)