一種應(yīng)用于認知無線電的多用戶信道感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及認知無線電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于認知無線電的多用戶信道 感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在世界不同地區(qū)，無線頻譜大都被劃分給形形色色的機構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 頻譜的短缺必將成為無線通信技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。近年來，認知無線電技術(shù)進入大眾的 視野，旨在充分利用閑置的已授權(quán)頻譜來緩解頻譜短缺的問題。
[0003] 在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次級用戶（非授權(quán)用戶)可以在主用戶(授權(quán)用戶)沒有使用 相關(guān)頻段時進行收發(fā)信號。這意味著次級用戶的優(yōu)先級要低于主用戶。所以在頻譜接入時， 次級用戶必須在進行傳輸之前，感知有無主用戶正在使用該頻譜。由于大量的潛在信道存 在，次級用戶可以選擇多信道傳輸。這項技術(shù)稱為多信道認知接入控制。
[0004] 次級用戶首先選擇一個信道進行感知，若信道空閑則開始傳輸信號，若信道被占 用則在一段時間內(nèi)保持靜默，不進行傳輸和感知。另一方面，次級用戶可以按順序連續(xù)感知 信道，直至感知到空閑信道為止。在這個背景下，信道感知順序和相關(guān)停止規(guī)則（即何時停 止感知及何時開始傳輸信號)是十分必要的。
[0005] 在多用戶分布式感知的情況下，會存在多個次級用戶同時偵測到該信道未被主用 戶使用并決定同時接入該信道的情況，造成沖突，所以需要根據(jù)不同用戶制定不同的感知 和停止策略。
[0006] 目前，大部分有關(guān)認知無線電感知策略的研究主要在單次級用戶的感知順序及其 相關(guān)停止策略，以及單一策略的集中式感知等方面。而針對多用戶的分布式感知策略研究 開展的較少，目前一般采用窮舉搜索的方法進行感知策略的制定，在次級用戶較多和潛在 可用信道較多時，算法復(fù)雜度極高，實用性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于認知無線電的多用戶信道感知方法，能夠?qū)?現(xiàn)多個次級用戶的信道感知，且次級用戶碰撞概率低、系統(tǒng)平均吞吐量高，系統(tǒng)復(fù)雜度低， 且性能可比擬窮舉搜索算法。
[0008] 本發(fā)明的應(yīng)用于認知無線電網(wǎng)絡(luò)的多用戶信道感知方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括m個次級 用戶，N個潛在可用的信道，~>>!11， 11^2，信道感知方法包括如下步驟：
[0009] 步驟1，將所有潛在可用的信道按其在一個時隙內(nèi)未被主用戶使用的概率，從大到 小進行排序并編號；
[0010] 步驟2，感知前m個信道，包括如下子步驟：
[0011] 步驟2.1，對于前m個信道Si，S2，... Sm，各次級用戶分別采用窮舉法獲得所有可能 的信道感知順序，每一個次級用戶均有m!種信道感知順序;計算各信道感知順序下的次級 用戶吞吐量；
[0012] 步驟2.2,分別從每個次級用戶的m!種信道感知順序中任意挑選一個進行組合，共 有(m!)m種組合，計算各組合下的系統(tǒng)平均吞吐量，所述系統(tǒng)平均吞吐量為該組合下m個次 級用戶的次級用戶吞吐量總和；
[0013] 步驟2.3,找到最大系統(tǒng)平均吞吐量對應(yīng)的組合，該組合對應(yīng)的各次級用戶的信道 感知順序組合AmB mCmDf_即為m個次級用戶的前m個信道的最優(yōu)感知順序組合;其中，Am為用 戶1的前m個信道的最優(yōu)感知順序，B m為用戶2的前m個信道的最優(yōu)感知順序，依次類推；
[0014] 步驟3,感知第m+1個信道，包括如下子步驟：
[0015] 步驟3.1，各次級用戶分別將信道Sm+1加入至步驟2獲得的本次級用戶的最優(yōu)感知 順序中，并保持原有m個信道Si，S 2,. . .Sm的相對感知順序位置不變，每一個次級用戶均有m+ 1種信道感知順序;計算各信道感知順序下的次級用戶吞吐量；
[0016] 步驟3.2,分別從每個次級用戶的m+1種信道感知順序中任意挑選一個進行組合， 共有(m+l)m種組合;計算各組合下的系統(tǒng)平均吞吐量；
[0017] 步驟3.3，找到最大系統(tǒng)平均吞吐量對應(yīng)的組合，該組合對應(yīng)的各次級用戶的信道 感知順序組合Am+1B m+1Cm+1Dm+1…即為m個次級用戶的前m+1個信道的最優(yōu)感知順序組合；其 中，Am+i為用戶1的前m+1個信道的最優(yōu)感知順序，Bm+i為用戶2的前m+1個信道的最優(yōu)感知順 序，依次類推；
[0018]步驟4，按照步驟3的方式，依次感知第m+2、m+3、…、N個信道，最終獲得的m個次級 用戶的N個信道的最優(yōu)感知順序組合即為最終的m個次級用戶的N個信道的信道感知順序 AnBnCnDn…；其中，An為用戶1的N個信道的最優(yōu)感知順序，Bn為用戶2的N個信道的最優(yōu)感知順 序，依次類推。
[0019] 有益效果：
[0020] (1)本發(fā)明通過協(xié)調(diào)器集中制定多次級用戶的感知策略，降低了多個次級用戶發(fā) 生沖突的概率，增加了系統(tǒng)平均吞吐量。
[0021] (2)與傳統(tǒng)窮舉搜索法相比，在僅損失小部分性能的代價下，降低了多次級用戶分 布式感知策略的復(fù)雜度。傳統(tǒng)窮舉搜索法的計算復(fù)雜度為〇((N!) m)，而本發(fā)明提出的增量 算法的復(fù)雜度僅為〇((m!；T+ t 。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明方法流程圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明感知方式的時隙結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0025] 本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于認知無線電的多用戶信道感知方法，在大幅降低次級用 戶碰撞概率、提升系統(tǒng)平均吞吐量的前提下，性能可比擬窮舉搜索算法，且復(fù)雜度低，可用 于多次級用戶分布式感知。
[0026] 能量和特征檢測是兩種主流感知方法。能量檢測法中感知一個信道一般僅需要不 到lms的時間，而特征檢測則需要超過20ms。由于每個用戶在每個時隙需要連續(xù)感知多個信 道，所以本發(fā)明僅適用于使用能量檢測方法的感知網(wǎng)絡(luò)。
[0027] 考慮一種含有一個協(xié)調(diào)器和m個次級用戶的認知網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)潛在可用信道集 為S(S= {si，S2,. . .，sn}，N> >m，m 2 2)，每個用戶一次可感知一個信道，并有自己的感知順 序。例如：用戶1的感知順序通過(ai，a2, . . .，ak, . . .，aN)表示，用戶2的感知順序通過(bi, b2, . . .，bk，. . .，bN)表示等。其中下標(biāo)k表示信道的感知位置，即ak表示用戶1第k個需感知的 信道，b k表示用戶2第k個需感知的信道，以此類推。
[0028] 整個感知網(wǎng)絡(luò)假設(shè)嚴格同步，同時感知方式采用時隙結(jié)構(gòu)，即將信號感知與傳輸 總時間等分為時長為t的多個時隙。感知時隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，假設(shè)用戶在感知到 第k個信道時發(fā)現(xiàn)空閑，于是利用該時隙的剩余時間在第k個信道傳輸數(shù)據(jù)。時隙中用于感 知每個信道的時間用T代表。每個時隙包含感知部分(最大NX T)和傳輸部分(最小t-NXT)。 如果一個用戶在第k個信道完成感知，則感知部分為kh傳輸部分為t-kh時隙效率由傳輸 部分占整個時隙的百分比表示。當(dāng)一個用戶在第k個信道完成感知，則時隙效率 ck為
[0029] Ck=(t-kx)/t (1)
[0030] 在每個時隙中，每個信道只存在被主用戶整個占用、被次級用戶整個占用或未被 占用三種情況。通過預(yù)先對信道特性及主用戶對該信道的使用習(xí)慣等先驗信息，可得在一 個時隙內(nèi)信道 81未被主用戶使用的概率^^(^^^^。對于每一個信道左用戶在某 個時隙的狀態(tài)獨立于其他時隙，亦獨立于其他信道。
[0031] 信道集S中，信道依照大小進行排序編號，SP: 4，Vies
[0032] 每個次級用戶在每個時隙開始時，依照各自的感知順序?qū)π诺肋M行感知，直至找 到空閑信道。如果某次級用戶決定接入某個信道，稱該用戶在該信道"停止"了。每個次級用 戶在每個時隙均需要感知信道并且選擇某個空閑信道傳輸信號。如果某個次級用戶決定停 止于某個信道，該次級用戶將選擇相應(yīng)的速率R傳輸信號。
[0033] 本發(fā)明以多次級用戶協(xié)同感知為出發(fā)點，考慮協(xié)調(diào)器的運算復(fù)雜度，使在不損失 大量性能的前提下，盡可能降低感知方法的計算復(fù)雜度，多個次級用戶的信道感知方法具 體通過以下步驟實現(xiàn)：
[0034] 步驟一:對于所有m個次級用戶，前m個信道感知采取傳統(tǒng)窮舉搜索算法。由于信道 1至信道m(xù)的主用戶空閑概率（分別為…<..)最大，所以潛在可用信道集是{ Sl， S2, . . .，Sm}。假如一個用戶在第k個信道完成感知，定義一個次級用戶的數(shù)據(jù)吞吐量Uk為一 個時隙能傳輸?shù)男畔⒈忍?，即?br>[0035] Uk = R ? ck (2)
[0036] 對于每一個次級用戶，采用窮舉的方法獲得其所有可能的前m個信道的感知順序。 以次級用戶1為例，其前m個信道的所有可能的感知順序分別為（S1，S2，S3. . .，Sm)，（S2，S1, S3 ? ? ? , Sm)，（SI ,S3 ,S2 ? ? ? , Sm),…，（Sm,Sm-1 ,Sm-2 ? . ? , SI)，共(m!)種順序。則對應(yīng)于次級用戶1 的第一種感知順序(S1，S2，S3. . .，Sm)，此時次級用戶1的吞吐量Ul_l為： U +(1_^ ^
[0037] ――: ' ⑶ +(1-^ )*(]〇 )*...?(]-6^
[0038] 對應(yīng)于次級用戶1的第二種感知順序(82,81， 83,84，...，&)，此時次級用戶1的吞吐 量Ul-2為：
[0039] +(1-6〇(l-A )*(1-心成丨?穴*('4+… （4). +(1 - (9、）*(1，_6^ )*_,_?([ -0 )*沒' */??(-~"
[0040] 對應(yīng)于次級用戶1的第三種感知順序(S1，S3， S2，S4，S5. . .，Sm)，此時次級用戶1的吞 吐量Ul_3為：
[0041] L/, 5 = 〇： .R.c, +(\~Os M,-R>c2 + (1 - 6>., )?(I - ^ ； )>0., -K1 -必）*(1 -沒、)*U -沒二'義*心+ (1 -6 M卜R;)K1-沒J(.l-見4)*沒%*及…（.5). +(1 ~ 〇. )?( 1 " 〇s )K 1 ~ 〇. )*...*( 1 - 0. )*Os *R*c/t,
[0042]依次類推，得到次級用戶1的所有可能的感知順序?qū)?yīng)的次級用戶1吞吐量U〇， Ul-2，? ? ?，Ul-(m!) 〇
[0043] 同樣地，獲得各次級用戶的所有的感知順序?qū)?yīng)的次級用戶吞吐量。
[0044] 系統(tǒng)平均吞吐量為m個次級用戶吞吐量的總和，共有(m!)m種情況，對應(yīng)各次級用 戶不同感知順序所對應(yīng)的次級用戶吞吐量組合，即
[0045] Ut〇i-i = Ui-1+U2-1+. ? ?+Um-1
[0046] Utol-2 = Ul-1+U2-1